Projecto e optimização da alimentação de um sensor de velocidade de onda de pulso

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Estudo comparativo de medição da velocidade da onda de pulso: VasoCheck versus complior

A medição da Velocidade da Onda de Pulso (VOP), enquanto meio complementar de diagnóstico e tratamento das doenças cardiovasculares, é considerada um marcador precoce de compromisso arterial em diversos contextos clínicos. O seu papel consolida-se na prevenção primária da patologia arterial, através da avaliação das propriedades mecânicas dos vasos sanguíneos, nomeadamente, quanto à sua rigidez e distensibilidade. Neste trabalho pretende-se comparar os valores experimentais da VOP obtidos com dois métodos de medição diferentes. Para a obtenção das ondas de pulso, utilizaram-se dois equipamentos não-invasivos que permitem uma avaliação in-vivo das propriedades mecânicas dos vasos sanguíneos. Estes distinguem-se pelo princípio físico em que se baseiam: o Complior usa sensores de pressão, baseando-se no princípio piezoeléctrico e o protótipo do equipamento VasoCheck, desenvolvido no nosso grupo da NMT, usa sensores ópticos de infra-vermelho, baseando-se no princípio fotopletismográfico (FPG). As medições com os dois métodos realizaram-se em ambiente controlado, numa amostra de 42 voluntários dos 20 aos 30 anos de idade, de ambos os sexos, saudáveis e sem diagnóstico cardiovascular associado. Os dados experimentais obtidos com os métodos e sensores acima enunciados foram tratados estatisticamente. Os valores da VOP obtidos com o método FPG mostraram-se consistentes e em boa concordância com os obtidos com o método piezoeléctrico. O método FPG aparenta ser mais rápido na sua utilização. Futuramente, evidencia-se importante repetir a série de medições com os dois métodos numa amostra maior, estendendo-a também a voluntários com diagnóstico cardiovascular conhecido. Com base neste trabalho foi apresentada a comunicação painel “Análise comparativa de dois métodos de medição da Velocidade da Onda de Pulso” na International Conference on Health Technology Assessment and Quality Management 2012, realizada a 3 e 4 de Fevereiro de 2012 na Escola Superior de Tecnologia da Saúde de Lisboa.

Estudo experimental para avaliação da rigidez dos vasos sanguíneos: testes para validação clínica

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de mestre em Engenharia Biomédica.

Protótipo para o diagnóstico do estado dos vasos sanguíneos

De acordo com estatísticas recentes, as doenças cardiovasculares e as principais complicações associadas, como a Aterosclerose e a Hipertensão Arterial, constituem a principal causa de morte em todo o mundo. Verifica-se ainda uma incidência crescente na população jovem, mas ainda não existem métodos suficientemente eficazes para o diagnóstico precoce de Aterosclerose. Deste modo, o objectivo principal do presente trabalho consiste no desenvolvimento da instrumentação e de um método não-invasivo, rápido e barato, que permita caracterizar o estado dos vasos sanguíneos na sua norma e patologia. Neste trabalho propõe-se uma metodologia inovadora para a avaliação do estado dos vasos sanguíneos, baseada na análise do sinal fotopletismográfico de propagação da onda de pulso, tendo-se efectuado um estudo comparativo de dois métodos de aquisição de pulsos: Método 1, no qual se adquirem pulsos das digitais da mão e do pé; e Método 2, pelo qual se obtêm os pulsos da Radial e da “pedis dorsalis”. Os principais parâmetros analisados neste trabalho foram o Índice de Rigidez (m/s) e Índice de Reflexão (%), que depende essencialmente do tónus das artérias periféricas. Igualmente, foi determinada a Velocidade da Onda de Pulso pelo Método Gold-Standard e pelo Método de Frank, e o Índice de Função do Endotélio (%), que foi obtido recorrendo à Hiperemia Reactiva. No Capítulo 1 do presente trabalho, apresentam-se os aspectos mais importantes da Aterosclerose e os métodos de diagnóstico actualmente utilizados, bem como os fundamentos gerais da hemodinâmica e as propriedades mecânicas e fisiológicas dos vasos sanguíneos. No Capítulo 2 analisam-se os métodos não-invasivos utilizados em estudos clínicos para a medição da velocidade de propagação da onda de pulso, e também se apresenta uma nova metodologia para a caracterização do estado dos vasos sanguíneos, que consiste na análise de vários de parâmetros a partir do sinal fotopletismográfico da onda de pulso. No Capítulo 3 descreve-se a instrumentação utilizada na actividade experimental desenvolvida, assim como as principais características dos sensores para a aquisição do sinal fotopletismográfico. Destaca-se ainda a calibração efectuada, o software utilizado para o processamento das medidas experimentais, e a elaboração da rotina de aquisição de dados. Os dados experimentais, adquiridos através do método proposto para diferentes faixas etárias, estão apresentados no Capítulo 4, bem como a análise e discussão dos resultados obtidos. E finalmente, no Capítulo 5, apresentam-se as principais conclusões e as perspectivas futuras.

Calcificações vasculares nos doentes em diálise : elo de ligação entre doença óssea e doença vascular

RESUMO: A presente dissertação para tese de doutoramento apresenta o desenvolvimento e a validação de um método simples e original para o diagnóstico de calcificações vasculares em doentes em diálise, utilizando um score semiquantitativo criado por nós e obtido em RX simples da bacia e das mãos, denominado score de calcifi cação vascular simples. Demonstramos que este score vascular simples é preditor de risco cardiovascular nos doentes em diálise. O score de calcificação vascular simples associou-se ainda à baixa densidade mineral óssea avaliada por dual energy X -ray absortiometry (DXA) no colo do fémur. Verifi camos igualmente que, em doentes em diálise, as calcifi cações coronárias quantifi cadas pelo score de Agatston e o score de calcifi cação vascular simples se associaram a um menor volume ósseo avaliado em biopsias ósseas. Estes trabalhos corroboram a hipótese da existência de um elo de ligação entre a doença óssea e a doença vascular nos doentes em diálise, e um dos elementos que contribuem para este elo de ligação podem ser as calcificações vasculares. Este score de calcificação vascular simples avalia calcifi cações em artérias de grande, médio e pequeno calibre, e inclui os dois padrões radiológicos de calcificação: calcificação linear, associada à calcifi cação da camada média da parede arterial, e calcificação irregular, associada à calcifi cação da camada íntima arterial1. Nos diferentes trabalhos por nós publicados demonstramos que as calcificações vasculares avaliadas por este método simples e barato permitem a identificação de indivíduos com elevado risco cardiovascular. Este score vascular associa -se a maior risco de mortalidade cardiovascular2, de mortalidade de causa global3, de internamentos cardiovasculares2, de doença ardiovascular2, de doença arterial periférica2,4,de calcifi cações valvulares5 e de rigidez arterial3. As guidelines KDIGO (Kidney disease: improving global outcomes), publicadas em 2009,sugerem que os doentes renais crónicos nos estadios 3 a 5, com calcificações vasculares e valvulares, devem ser considerados como apresentando o mais elevado risco cardiovascular6. A elevada mortalidade dos doentes renais crónicos não é totalmente explicada pelos fatores de risco tradicionais7. A organização KDIGO defende, desde 2006, a hipótese da existência de um elo de ligação entre a doença óssea e a doença vascular8. Esta ligação pode ser explicada pelas alterações do metabolismo mineral e ósseo e pela sua interação com as calcificações vasculares. Verificamos, nos nossos trabalhos, uma associação entre calcifi cações vasculares e doença óssea. O baixo volume ósseo diagnosticado por análise histomorfométrica de biopsias ósseas foi preditor de maior risco de calcificações vasculares avaliadas pelo score de calcifi cação vascular simples (dados apresentados nesta dissertação, no capítulo 6) e pelo score coronário de Agatston num grupo de doentes em diálise9. A contribuição original deste artigo9 foi considerada merecedora de um editorial feito pelo Dr. Gérard London10, investigador líder na área da calcificação vascular dos doentes renais crónicos e actual Presidente da EDTA (European Dialysis and Transplantation Association). Fomos também os primeiros a descrever uma associação independente e inversa entre a densidade mineral avaliada no colo do fémur por DXA (dual energy X -ray absortiometry) com calcificações vasculares avaliadas pelo score de calcificação vascular simples, com rigidez arterial avaliada por velocidade de onda de pulsocarotidofemoral e com doença arterial periférica diagnosticada por critérios clínicos11. Fomos igualmente os primeiros a mostrar uma correlação signifi cativa entre a densidade mineral óssea avaliada por DXA no colo do fémur, mas não na coluna lombar, com a espessura cortical avaliada por análise histomorfométrica em biopsia óssea12. O nosso estudo atribui pela primeira vez à DXA um papel no diagnóstico de porosidade cortical nos doentes em diálise. A utilidade da avaliação diferencial da densidade mineral óssea cortical e trabecular necessita ainda de ser confirmada em estudos prospectivos. Este achado inovador do nosso estudo foi mencionado pela ERBP (European Renal Best Practice) no comentário feito à posição da KDIGO que considera ser reduzida a utilidade da densidade mineral óssea nos doentes em diálise13. Dois dos trabalhos incluídos nesta dissertação foram referenciados nas guidelines KDIGO 2009 para avaliar a prevalência das calcificações vasculares (KDIGO 2009: Tabela suplementar 10, Fig. 3.6) e para validar a associação entre calcificações vasculares e mortalidade cardiovascular (KDIGO 2009: Tabela suplementar 12, Fig. 3.7)6. A inclusão destes nossos dois estudos nas referências destas guidelines, que utilizaram o exigente sistema GRADE (Grades of recommendation, assessment, development, and evaluation) na classificação e selecção dos estudos, valida o interesse científico dos nossos trabalhos. O diagnóstico de calcificações vasculares tem um interesse prático para os doentes renais crónicos. A presença de calcifi cações vasculares é um sinal de alerta para a existência de um elevado risco cardiovascular, e esta informação pode ser utilizada para modificar a terapêutica nestes doentes6. Diferentes métodos podem ser usados para diagnosticar calcificações vasculares nos doentes em diálise14,15. O score de calcificação vascular simples tem a vantagem da simplicidade e de poder ser facilmente interpretado pelo nefrologista, sem necessidade de um radiologista. A reprodutibilidade deste score já foi demonstrada por diferentes grupos em estudos nacionais e internacionais16-24. Nestes estudos foi demonstrado que as calcifi cações vasculares avaliadas pelo método criado por nós são preditoras de maior risco de eventos cardiovasculares16, de amputações dos membros inferiores17, de velocidade de onda de pulso18,19, de calcificações corneanas e conjuntivais20 e de calcifi cações coronárias21. Também foi demonstrada uma associação inversa entre o score de calcificação vascular simples com os níveis séricos de PTH21, com os níveis de 25(OH)vitamina D 22,23 e com os níveis de fetuína A19,24. Todos estes estudos, realizados por diferentes grupos, que utilizaram o score de calcificação vascular simples na sua metodologia, comprovam a facilidade de utilização deste score e a concordância de resultados atestam a sua reprodutibilidade e a utilidade na avaliação dos doentes renais crónicos. ---------------------------ABSTRACT: This thesis presents the development and validation of a simple and original method to identify vascular calcifications in dialysis patients, using a semi -quantitative score that we have created and that is obtained in plain X -ray of pelvis and hands. This score was named in different publications as “simple vascular calcifi cation score”. We have demonstrated that this score is a predictor of higher cardiovascular risk in dialysis patients. The simple vascular calcification score was also associated with lower mineral bone density evaluated by DXA in femoral neck. In hemodialysis patients coronary calcifications evaluated by the coronary Agatston score and by the simple vascular calcification score were associated with lower bone volume analysed in bone biopsies. These studies corroborate the hypothesis of the existence of a link between bone disease and vascular disease in dialysis patients and one of the elements of this link may be vascular calcifications. This simple vascular calcification score identifi es calcifications in large, medium and small calibre arteries and includes the two radiological patterns of arterial calcifi cation: linear calcification which has been associated with the calcifi cation of the media layer of the arterial wall and irregular and patchy calcification which has been associated with the calcifi cation of the intima layer of the arterial wall1. In the several studies that we have published we have demonstrated that vascular calcifications evaluated by this simple and inexpensive method allow the identification of patients with high cardiovascular risk. This simple vascular calcification score is an independent predictor of cardiovascular mortality2, all -cause mortality3, cardiovascular hospitalizations2, cardiovascular disease2, peripheral artery disease2,4, valvular calcifi cations5 and arterial stiffness3.KDIGO (Kidney Disease: Improving Global Outcomes) guidelines published in 2009 suggest that chronic kidney disease patients in stages 3 to 5, with vascular and valvular calcifications should be considered to be at the highest cardiovascular risk6. The high mortality of chronic kidney disease patients is not completely explained by the traditional risk factors7 and KDIGO group supports, since 2006, the hypothesis of the existence of a link between bone disease and vascular disease8.This link may be explained by the alterations of the bone and mineral metabolism and their interaction with development and progression of vascular calcifications. We have also verifi ed in our studies the existence of an association between vascular calcifications and bone disease. Low bone volume diagnosed by histomorphometric analysis of bone biopsies, in a group of dialysis patients, was independently associated with the simple vascular calcification score (data presented in this thesis,chapter 6) and with coronary calcifications evaluated by the Agatston score9. The original contribution of this article published in CJASN9 deserved a commentary in an Editorial written by Prof. Gérard London10 leader investigator in this area and current EDTA (European Dialysis and Transplantation Association) President. We were also the fi rst group to describe an independent and inverse association between bone mineral density evaluated in the femoral neck by DXA (dual energy X -ray absortiometry) with vascular calcifications evaluated by the simple vascular calcification score, with arterial stiffness evaluated by carotid-femoral pulse wave velocity and with peripheral artery disease diagnosed by clinical criteria11. We were also the first group to demonstrate a significant correlation between bone mineral density evaluated by DXA in femoral neck but not in lumbar spine, with cortical thickness evaluated by histomorphometric analysis of bone biopsy12. Our study has attributed to DXA, for the first time, a role in the diagnosis of cortical porosity in dialysis patients. The clinical utility of the differential evaluation of bone mineral density in cortical or trabecular bone needs, however, to be confi rmed in prospective studies. This original fi nding of our study was mentioned by ERBP (European Renal Best Practice) commenting the KDIGO position in relation with the reduced utility of bone mineral density evaluation in dialysis patients13. Two of the studies included in this thesis have been integrated in a group of studies selected as references by the KDIGO guidelines published in 2009 to evaluate the prevalence of vascular calcifications in CKD patients (KDIGO 2009: Supplementary Table 10, Fig. 3.6) and to corroborate the association between vascular calcifications and cardiovascular mortality (KDIGO 2009: Supplementary Table 12, Fig. 3.7)6. The inclusion of both studies as references in the KDIGO guidelines that have used the exigent GRADE system (Grades of Recommendation, Assessment, Development, and Evaluation) in the classifi cation and selection of studies, validates the scientifi c value of our studies. The diagnosis of vascular calcifi cations has a practical interest for chronic kidney disease patients. The presence of vascular calcifications is an alert sign to the existence of a high cardiovascular risk and this information may be used to modify the treatment of these patients6. Different methods may be used to detect the presence of vascular calcifications in dialysis patients14,15. The simple vascular calcifi cation score has the advantage of being simple, inexpensive and easily evaluated by the Nephrologist without the need for a Radiologist interpretation. The reproducibility of this method has already been demonstrated by other groups in national and international studies16 -24. It was demonstrated in those studies that vascular calcifi cations evaluated by the method created by us, predict higher risk of cardiovascular events16, higher risk of lower limbs amputations17, higher pulse wave velocity18,19, corneal and conjuntival calcifi cations 20 and coronary calcifi cations21. A negative association between the simple vascular calcification score and PTH levels21, 25(OH) vitamin D levels22,23 and Fetuin A levels19,24 has also been demonstrated. All these studies performed by different groups that have used the simple vascular calcifi cation score in their methods demonstrate that this score is simple, useful and reproducible in the evaluation of chronic kidney disease patients simple, useful and reproducible in the evaluation of chronic kidney disease patients.

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