Nonlinear dynamics of the patient’s response to drug effect during general anesthesia

In today’s healthcare paradigm, optimal sedation during anesthesia plays an important role both in patient welfare and in the socio-economic context. For the closed-loop control of general anesthesia, two drugs have proven to have stable, rapid onset times: propofol and remifentanil. These drugs are related to their effect in the bispectral index, a measure of EEG signal. In this paper wavelet time–frequency analysis is used to extract useful information from the clinical signals, since they are time-varying and mark important changes in patient’s response to drug dose. Model based predictive control algorithms are employed to regulate the depth of sedation by manipulating these two drugs. The results of identification from real data and the simulation of the closed loop control performance suggest that the proposed approach can bring an improvement of 9% in overall robustness and may be suitable for clinical practice.

Nonlinear dynamics of the patient’s response to drug effect during general anesthesia

In today’s healthcare paradigm, optimal sedation during anesthesia plays an important role both in patient welfare and in the socio-economic context. For the closed-loop control of general anesthesia, two drugs have proven to have stable, rapid onset times: propofol and remifentanil. These drugs are related to their effect in the bispectral index, a measure of EEG signal. In this paper wavelet time–frequency analysis is used to extract useful information from the clinical signals, since they are time-varying and mark important changes in patient’s response to drug dose. Model based predictive control algorithms are employed to regulate the depth of sedation by manipulating these two drugs. The results of identification from real data and the simulation of the closed loop control performance suggest that the proposed approach can bring an improvement of 9% in overall robustness and may be suitable for clinical practice.

Deteção eletroquímica da norfloxacina e trimetoprim em amostras de urina utilizando polímero molecularmente impresso modificado e grafeno

A norfloxacina e o trimetoprim são dois antibióticos antibacterianos usados para o tratamento de infeções urinárias, intestinais e respiratórias. A maioria dos fármacos exige uma dosagem que garanta os níveis de segurança e eficácia de atuação. A necessidade de dosear os medicamentos e os seus metabolitos é assim um controlo imperioso e em muitos casos regular no tratamento de um paciente. Neste trabalho desenvolveram-se dois sensores eletroquímicos para a deteção da norfloxacina (NFX) e do trimetoprim (TMP), usando como superfície de suporte o carbono vítreo. A busca de novos materiais que conferiram maior seletividade e sensibilidade aos sistemas de deteção e por outro lado apresentem menores riscos para o paciente quando usados em dispositivos que permitam uma análise point-of-care, é especialmente importante e pode ser uma parte crucial do processo de decisão clínica. Assim, os polímeros molecularmente impresos enquadram-se nesse perfil e o seu uso tem vindo a ser cada vez mais avaliado. A impressão molecular é uma tecnologia capaz de produzir polímeros que incorporam as moléculas do analito e que após remoção por solventes específicos, permitem dotá-los de locais específicos de reconhecimento estereoquímico. A seleção do pirrol como polímero molecularmente impresso (MIP) permitiu construir com sucesso os sensores para doseamento dos antibióticos. A fim de aumentar a sensibilidade do método incorporou-se grafeno na superfície do elétrodo. Este material tem vindo a ser largamente utilizado devido às suas propriedades: estrutura molecular, condutividade elétrica e aumento da superfície são algumas das características que mais despertam o interesse para a sua aplicação neste projeto. Os sensores desenvolvidos foram incorporados em sistemas eletroquímicos. Os métodos voltamétricos aplicados foram a voltametria cíclica, a voltametria de onda quadrada e ainda a impedância. As condições de análise foram otimizadas no que respeita à polimerização do pirrol (concentração do polímero, número de ciclos de eletropolimerização e respetivos potenciais aplicados, tempo de incubação, solvente de remoção do analito), ao pH da solução do fármaco, à gama de concentrações dos antibióticos e aos parâmetros voltamétricos dos métodos de análise. Para cada um dos antibióticos um elétrodo não-impresso foi também preparado, usando o procedimento de polimerização mas sem a presença da molécula do analito, e foi usado como controlo. O sensor desenvolvido para o trimetoprim foi usado no doseamento do fármaco em amostras de urina. As amostras foram analisadas sem qualquer diluição, apenas foram centrifugadas para remoção de proteínas e algum interferente. Os sensores construídos apresentaram comportamento linear na gama de concentrações entre 102 e 107 mol/L. Os resultados mostram boa precisão (desvios padrão inferiores a 11%) e os limites de deteção foram de 8,317 e 1,307 mol/L para a norfloxacina e o trimetoprim, respetivamente. Para validação do método foram ainda efetuados ensaios de recuperação tendo obtido valores superiores a 94%.

Radiation dose rates and exposure associated to Technologically Enhanced Naturally Occurring Radioactive Materials (TENORM) at locations of a Portuguese coal-fired power plant

Coal contains trace quantities of natural radionuclides such as Th-232, U-235, U-238, as well as their radioactive decay products and 40K. These radionuclides can be released as fly ash in atmospheric emissions from coal-fired power plants, dispersed into the environment and deposited on the surrounding top soils. Therefore, the natural radiation background level is enhanced and consequently increase the total dose for the nearby population. A radiation monitoring programme was used to assess the external dose contribution to the natural radiation background, potentially resulting from the dispersion of coal ash in past atmospheric emissions. Radiation measurements were carried out by gamma spectrometry in the vicinity of a Portuguese coal-fired power plant. The radiation monitoring was achieved both on and off site, being the boundary delimited by a 20 km circle centered in the stacks of the coal plant. The measured radionuclides concentrations for the uranium and thorium series ranged from 7.7 to 41.3 Bq/kg for Ra-226 and from 4.7 to 71.6 Bq/kg for Th-232, while K-40 concentrations ranged from 62.3 to 795.1 Bq/kg. The highest values were registered near the power plant and at distances between 6 and 20 km from the stacks, mainly in the prevailing wind direction. The absorbed dose rates were calculated for each sampling location: 13.97-84.00 ηGy/h, while measurements from previous studies carried out in 1993 registered values in the range of 16.6-77.6 ηGy/h. The highest values were registered at locations in the prevailing wind direction (NW-SE). This study has been primarily done to assess the radiation dose rates and exposure to the nearby population in the surroundings of a coal-fired power plant. The results suggest an enhancement or at least an influence in the background radiation due to the coal plant past activities.

Modelling the Contribution of 40K, 232Th and 226Ra to Radiation Dose and Risk from Airborne Discharges of Coal-Fired Power Plants

Coal contains trace elements and naturally occurring radionuclides such as 40K, 232Th, 238U. When coal is burned, minerals, including most of the radionuclides, do not burn and concentrate in the ash several times in comparison with their content in coal. Usually, a small fraction of the fly ash produced (2-5%) is released into the atmosphere. The activities released depend on many factors (concentration in coal, ash content and inorganic matter of the coal, combustion temperature, ratio between bottom and fly ash, filtering system). Therefore, marked differences should be expected between the by-products produced and the amount of activity discharged (per unit of energy produced) from different coal-fired power plants. In fact, the effects of these releases on the environment due to ground deposition have been received some attention but the results from these studies are not unanimous and cannot be understood as a generic conclusion for all coal-fired power plants. In this study, the dispersion modelling of natural radionuclides was carried out to assess the impact of continuous atmospheric releases from a selected coal plant. The natural radioactivity of the coal and the fly ash were measured and the dispersion was modelled by a Gaussian plume estimating the activity concentration at different heights up to a distance of 20 km in several wind directions. External and internal doses (inhalation and ingestion) and the resulting risk were calculated for the population living within 20 km from the coal plant. In average, the effective dose is lower than the ICRP’s limit and the risk is lower than the U.S. EPA’s limit. Therefore, in this situation, the considered exposure does not pose any risk. However, when considering the dispersion in the prevailing wind direction, these values are significant due to an increase of 232Th and 226Ra concentrations in 75% and 44%, respectively.

Radioactivity levels of 238U and 232Th decay series and related dose rates in the surroundings of a coal power plant using high resolution g-spectrometry

Gamma radiations measurements were carried out in the vicinity of a coal-fired power plant located in the southwest coastline of Portugal. Two different gamma detectors were used to assess the environmental radiation within a circular area of 20 km centred in the coal plant: a scintillometer (SPP2 NF, Saphymo) and a high purity germanium detector (HPGe, Canberra). Fifty urban and suburban measurements locations were established within the defined area and two measurements campaigns were carried out. The results of the total gamma radiation ranged from 20.83 to 98.33 counts per second (c.p.s.) for both measurement campaigns and outdoor doses rates ranged from 77.65 to 366.51 Gy/h. Natural emitting nuclides from the U-238 and Th-232 decay series were identified as well as the natural emitting nuclide K-40. The radionuclide concentration from the uranium and thorium series determined by gamma spectrometry ranged from 0.93 to 73.68 Bq/kg, while for K-40 the concentration ranged from 84.14 to 904.38 Bq/kg. The obtained results were used primarily to define the variability in measured environmental radiation and to determine the coal plant’s influence in the measured radiation levels. The highest values were measured at two locations near the power plant and at locations between the distance of 6 and 20 km away from the stacks, mainly in the prevailing wind direction. The results showed an increase or at least an influence from the coal-fired plant operations, both qualitatively and quantitatively.

Nanopartículas hibrídas para sistemas de drug delivery inteligentes

A nanotecnologia é uma ciência multidisciplinar que consiste na otimização das propriedades da matéria permitindo assim o desenvolvimento de sistemas com um tamanho manométrico. A aplicação da nanotecnologia na medicina surge como um campo de pesquisa que esta a gerar um grande interesse, principalmente em sistemas de libertação controlada de fármacos. A nanotecnologia, e a sua aplicação na área da nanomedicina, em particular em drug delivery systems, tem sido alvo de um desenvolvimento acentuado. A administração de fármacos ocorre sobretudo por via oral ou por injeção direta no organismo. O percurso destes fármacos desde do local de entrada no organismo até ao tecido-alvo obriga que estes entrem em contato com os outros tecidos podendo interagir com eles. Deste modo, esta interação química pode produzir efeitos indesejáveis no organismo e reduzir a capacidade de ação do fármaco. Tem-se verificado, nas últimas décadas, um grande desenvolvimento de sistemas que contornam estes problemas, tais como a quantidade e o período de administração do fármaco bem como o seu local de libertação e atuação específicos. Este estudo surge com esta necessidade de se desenvolver sistemas de libertação controlada de fármacos. O objetivo destes sistemas inteligentes é controlar a libertação de fármacos por um dado período de tempo, a dose, a diminuição da toxidade, o aumento da permanência em circulação e o aumento da eficácia terapêutica através da libertação progressiva e controlada do fármaco por administrações menos frequentes. Além de todas estas vantagens, a administração destes sistemas possibilita a libertação dos fármacos em locais específicos, tais como em tumores e, assim, minimizar os efeitos colaterais indesejados dos fármacos em outros tecidos. O presente trabalho visa o desenvolvimento de novos biomateriais utilizando nanopartículas mesoporosas de sílica (MSN) e nanopartículas (NPs) metálicas de ouro para a aplicação a sistemas de libertação controlada de fármacos. Para isto, estudou-se a libertação de doxorrubicina (DOX) encapsulada em NPs e nanocápsulas mesoporosas de sílica tanto em solução como em superfícies como em vidro. Os resultados obtidos mostraram que as NPs apresentam uma grande capacidade de encapsulação com 36 ng DOX/mg partícula. O tempo de libertação em superfície (vidro) foi estimado em 50 horas enquanto que em solução obteve-se um período inferior a 10 horas. Em relação as NPs de ouro pode-se observar como estas promovem a libertação do fármaco ao serem irradiadas mediante um laser. Deste modo, estas NPs podem ser úteis para sistemas de libertação controlada de fármacos e para várias aplicações na nanomedicina.