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Resolvendo um problema de décadas, uma equipe multidisciplinar de pesquisadores do Caltech descobriu um método para medir a pressão arterial de forma não invasiva e contínua em qualquer parte do corpo, com quase nenhuma interrupção para o paciente. Um dispositivo baseado na nova técnica promete permitir um melhor monitoramento de sinais vitais em casa, em hospitais e possivelmente até mesmo em locais remotos onde os recursos são limitados.
A nova técnica patenteada, chamada sonomanometria de ressonância, usa ondas sonoras para estimular suavemente a ressonância em uma artéria e, em seguida, usa imagens de ultrassom para medir a frequência de ressonância da artéria, chegando a uma medição real da pressão arterial. Em um pequeno estudo clínico, o dispositivo, que dá aos pacientes uma sensação suave de zumbido na pele, produziu resultados semelhantes aos obtidos usando o manguito de pressão arterial padrão.
“Acabamos com um dispositivo que é capaz de medir a pressão arterial absoluta — não apenas os números sistólicos e diastólicos que estamos acostumados a obter com medidores de pressão arterial — mas a forma de onda completa”, diz Yaser Abu-Mostafa (PhD ’83), professor de engenharia elétrica e ciência da computação e um dos autores de um novo artigo que descreve a técnica e o dispositivo no periódico Nexo PNAS. “Com este dispositivo você pode medir a pressão arterial continuamente e em diferentes locais do corpo, dando muito mais informações sobre a pressão arterial de uma pessoa.”
“Esta equipe vem trabalhando há quase uma década, tentando construir algo que faça a diferença, que seja bom o suficiente para resolver um problema clínico real”, diz Aditya Rajagopal (BS ’08, PhD ’14), associado visitante em engenharia elétrica na Caltech, professor assistente adjunto de pesquisa em engenharia biomédica na USC e coautor do novo artigo. “Muitos grupos, incluindo gigantes da tecnologia como Apple e Google, têm trabalhado em direção a uma solução como esta, porque ela permite um espectro de possibilidades de monitoramento de pacientes do hospital para a casa. Nosso método amplia o acesso ao monitoramento de nível hospitalar de pressão arterial e métricas de saúde cardíaca.”
Pressão arterial 101
A pressão arterial é simplesmente a força do sangue empurrando as paredes dos vasos sanguíneos do corpo enquanto é bombeado ao redor do corpo. A pressão alta, ou hipertensão, está relacionada ao risco de ataque cardíaco, derrame, doença renal crônica e outros problemas de saúde. A pressão baixa, ou hipotensão, também pode ser um problema sério porque significa que o sangue não está transportando oxigênio suficiente para os órgãos. Fazer medições regulares da pressão arterial é considerado uma das melhores maneiras de monitorar a saúde geral e identificar problemas potenciais.
A maioria de nós já experimentou a medição da pressão arterial no estilo manguito. Um enfermeiro, médico ou máquina infla um manguito que se ajusta ao redor do braço até que o sangue não possa mais fluir e, em seguida, libera lentamente o ar do manguito enquanto ouve o som que o sangue faz quando ele começa a fluir novamente. A pressão no manguito naquele ponto corresponde à pressão arterial nas artérias do paciente. Mas essa técnica tem limitações: ela só pode ser realizada periodicamente, pois envolve a oclusão de um vaso sanguíneo, e só pode coletar dados do braço.
Os médicos gostariam muito de ter leituras contínuas que fornecessem formas de onda completas da pressão arterial de um paciente, e não apenas medições periféricas de um braço, mas também medições centrais do tórax e de outras partes do corpo. Para obter as informações completas de que precisam, médicos e cirurgiões de terapia intensiva às vezes recorrem à inserção de um cateter diretamente na artéria de pacientes críticos (uma prática conhecida como colocação de uma linha arterial, ou “a-line”). Isso é invasivo e pode ser arriscado, mas, até agora, tem sido a única maneira de obter uma leitura contínua da pressão arterial real. Em alguns casos, como problemas com válvulas cardíacas, formas de onda completas da pressão arterial podem fornecer aos médicos informações de diagnóstico que eles não podem obter de nenhuma outra forma.
“Há muitas informações nessa forma de onda que são realmente valiosas”, diz Alaina Brinley Rajagopal, uma associada visitante em engenharia elétrica no Caltech, uma médica de medicina de emergência e coautora do artigo. E outros dispositivos de pressão arterial desenvolvidos na última década ou duas exigem uma etapa de calibração para a qual os médicos de emergência simplesmente não têm tempo, diz ela. “Preciso ser capaz de colocar algo em um paciente e fazê-lo funcionar imediatamente.”
O novo dispositivo atende aos requisitos. O protótipo atual, construído e testado por uma empresa spin-off chamada Esperto Medical, está alojado em uma caixa de transdutor menor que um baralho de cartas e é montado em uma braçadeira, embora os pesquisadores digam que ele poderia eventualmente caber em um pacote do tamanho de um relógio ou adesivo. A equipe pretende que o dispositivo seja usado primeiro em hospitais, onde se conectaria por meio de fios a monitores hospitalares existentes. Isso pode significar que os médicos não precisariam mais pesar os riscos de colocar uma linha A para obter o monitoramento contínuo da pressão arterial real de qualquer paciente.
Eventualmente, Brinley diz que seu dispositivo pode substituir os manguitos de pressão arterial também. “Os manguitos de pressão arterial só fazem uma medição com a mesma frequência com que você passa o manguito, então se você está pedindo aos pacientes para monitorar sua pressão arterial em casa, eles têm que saber como usar o dispositivo, eles têm que colocá-lo e eles têm que estar motivados para registrar as informações, e eu diria que a maioria dos pacientes não faz isso”, diz Brinley Rajagopal. “Ter um dispositivo como o nosso, onde é só colocar e esquecer, você pode usá-lo o dia todo, e ele pode fazer quantas medições seu provedor quiser, isso permitiria uma dosagem melhor e mais precisa da medicação.”
Desenvolvendo um divisor de águas
Rajagopal relembra o longo caminho que percorreu até chegar a este ponto com o dispositivo de pressão arterial. Cerca de uma década atrás, Brinley Rajagopal retornou de uma viagem global de saúde particularmente frustrada com o padrão de atendimento que ela poderia fornecer aos pacientes em locais remotos. Conversando com Rajagopal, os dois desejaram poder inventar algo como um tricorder médico, um dispositivo portátil visto em Jornada nas Estrelas que ajudou os médicos fictícios do futuro a escanear pacientes, coletar informações médicas e diagnosticar. “Isso nos fez pensar em tecnologias que poderíamos adaptar para nos aproximar de um objetivo como esse”, diz Brinley Rajagopal. Essas discussões iniciais inspiradas em ficção científica eventualmente os levaram ao caminho de tentar desenvolver um monitor de pressão arterial melhor.
Mas seus primeiros esforços não deram certo. Após anos de trabalho em uma possível solução usando a velocidade do sangue para derivar a pressão arterial, a equipe decidiu que havia chegado a um beco sem saída. Como acontece com muitos outros dispositivos atuais de monitoramento da pressão arterial, essa abordagem só poderia fornecer o relativo pressão sanguínea — a diferença entre as medições alta e baixa sem o número absoluto. Também exigiu calibração.
De volta à prancheta
Rajagopal decidiu que era hora de reavaliar e determinar se eles tinham alguma chance de resolver esse problema. “Foi esse momento de desespero que realmente levou ao insight-chave”, diz Rajagopal.
Pensando em seu curso de física do primeiro ano no Caltech, ele começou a rabiscar em uma parede próxima. Ele se lembrou de que seu livro didático Physics1 apresentava um problema canônico: você tem uma corda sob tensão. Como você pode determinar o quão esticada a linha está? Se você pinçar a corda, poderá relacionar a velocidade com que as ondas de vibração viajam para frente e para trás na corda com a frequência de ressonância na corda, o que pode lhe dar sua resposta. “Eu pensei que se eu pudesse esticar uma artéria em uma direção e magicamente pinçar e soltá-la, o zumbido nos daria a frequência de ressonância, o que nos levaria à pressão arterial”, diz Rajagopal. Após seis anos de fracassos e retorno aos primeiros princípios, eles finalmente tiveram sua visão orientadora.
E, de fato, essa é a ideia por trás do novo dispositivo: assim como uma guitarra muda de tom à medida que é dedilhada e apertada, a frequência na qual uma artéria ressoa quando atingida por ondas sonoras muda dependendo da pressão do sangue que ela contém.
Essa frequência de ressonância pode ser medida com ultrassom, fornecendo uma medida da pressão sanguínea. Essa medida requer três parâmetros — uma medida do raio da artéria, a espessura das paredes da artéria e a tensão ou energia na pele da artéria.
Com a física resolvida, ainda havia muitos outros detalhes a serem resolvidos: identificar as ondas sonoras que fariam as artérias ressoarem, entender como medir essa ressonância e, então, determinar como mapear isso de volta à pressão arterial de forma eficiente e, significativamente, como construir um sistema funcional.
“Construir esse sistema exigiu algumas tecnologias extraordinariamente personalizadas”, diz Rajagopal. O ex-aluno do Caltech Raymond Jimenez (BS ’13) foi fundamental na construção desse primeiro sistema. “A forma de arte, que envolveu muitos outros ex-alunos do Caltech, foi colocar a resposta da física em um instrumento muito simples e prático.”
O dispositivo Esperto resultante é pequeno, não invasivo, relativamente barato e tem um método automatizado para localizar o vaso sanguíneo do paciente sem precisar ser fisicamente reposicionado. Ele também não sofre dos problemas que alguns dispositivos de monitoramento de pressão arterial têm, como não ser preciso para pacientes com pressão arterial baixa ou obter resultados variados dependendo do tom de pele do paciente.
Pode não ser um tricorder médico, mas a equipe diz que o dispositivo resolve o antigo problema de monitoramento da pressão arterial. E Rajagopal diz que é o produto de um milhão de pequenos saltos. “Tudo o que fizemos é um produto dos erros exatos que cometemos ao longo do tempo”, ele diz, “e todo o trabalho que outros fizeram também”.
“Este trabalho é emblemático do que torna o Caltech tão notável: resolver um problema muito difícil voltando aos primeiros princípios e entendendo um fenômeno físico no nível fundamental”, diz Fred Farina, Chief Innovation and Corporate Partnerships Officer do Caltech. “Esta abordagem, combinada com a tenacidade e o impulso empreendedor da equipe, é nossa receita caseira para impacto social e melhoria da vida das pessoas.”
O artigo que descreve a nova técnica é intitulado “Sonomanometria de ressonância para monitoramento contínuo e não invasivo da pressão arterial”. Outros autores do artigo incluem Raymond Jimenez (BS ’13), Steven Dell, Austin C. Rutledge, Matt K. Fu (BS ’13) e William P. Dempsey (PhD ’12) da Esperto Medical, e Dominic Yurk (BS ’17, PhD ’23), um membro atual do grupo de Abu-Mostafa no Caltech. O trabalho no Caltech foi apoiado pelo curador do Caltech, Charles Trimble (BS ’63, MS ’64), o Carver Mead Innovation Fund e o Grubstake Fund.
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