Tecnologia de Radar Inovadora para Monitoramento de Falência Cardíaca

A insuficiência cardíaca (IC) é uma condição séria em que o coração não consegue bombear sangue suficiente para atender às necessidades do corpo. Isso pode acontecer se o coração não se encher de sangue o suficiente ou se não conseguir bombear o sangue de forma eficaz. Como resultado, órgãos vitais como o cérebro, fígado e rins podem não funcionar direito. Na Austrália, cerca de 15% das visitas ao hospital são devido à insuficiência cardíaca, resultando em quase 150.000 internações anuais e custando mais de 350 milhões de dólares em cuidados hospitalares.

O impacto financeiro da insuficiência cardíaca deve crescer à medida que a população australiana envelhece, semelhante às tendências observadas em muitos países ao redor do mundo.

#Insuficiência Cardíaca Direita e Congestão Venosa

A insuficiência cardíaca direita está relacionada à congestão venosa, onde o sangue se acumula nas veias. Os sintomas dessa condição geralmente se desenvolvem lentamente, tornando crucial estudar como o lado direito do coração funciona. Uma ferramenta importante usada para avaliar a saúde do coração é o Pulso Venoso Jugular (PVJ). O PVJ mede a pressão venosa através das veias jugulares, que vão da cabeça ao coração.

A forma de onda do PVJ consiste em cinco fases distintas:

1. A onda 'a': Representa a contração do átrio direito.
2. A descida 'x': Indica relaxamento atrial.
3. A onda 'c': Surge da contração do ventrículo direito.
4. A segunda descida 'x': Reflete o movimento para baixo da válvula tricúspide.
5. A onda 'v': Significa enchimento venoso.
6. A descida 'y': Mostra o fluxo rápido do átrio para o ventrículo.

Monitorar o PVJ fornece informações sobre a condição do coração e dos pulmões.

#Técnicas de Monitoramento do PVJ

Tradicionalmente, medir o PVJ tem sido invasivo e requer pessoal médico qualificado. Os métodos típicos envolvem colocar um cateter na veia jugular interna direita ou na veia subclávia, o que pode levar a complicações se não for feito corretamente. Devido a esses riscos, os profissionais de saúde precisam de um método rápido e não invasivo para monitorar o PVJ. O fácil acesso a essa tecnologia pode ajudar na detecção precoce da insuficiência cardíaca, tanto em casa quanto em ambientes hospitalares.

#Limitações dos Métodos Atuais

Estudos estão explorando o uso da plethysmografia, uma técnica não invasiva para estimar o PVJ. No entanto, ela depende de propriedades específicas da pele e do tecido, que podem complicar seu uso se o paciente se mover ou mudar de posição. A tecnologia de radar surgiu como uma alternativa promissora, mostrando eficácia no monitoramento de sinais vitais como frequência cardíaca e pressão arterial.

As tecnologias de radar de micro-ondas, especialmente em 24 GHz e 900 MHz, foram investigadas para medições do PVJ. O radar de 900 MHz pode não fornecer o detalhe necessário para uma análise precisa do PVJ, enquanto o radar de 60 GHz é preferido por sua maior resolução, permitindo melhor detecção de movimentos sutis associados à forma de onda do PVJ.

#Vantagens da Tecnologia de Radar de 60 GHz

O radar de 60 GHz da Infineon Technologies tem um design de antena avançado que reduz a interferência. Essa tecnologia é flexível e pode ser adaptada para diferentes necessidades. Pesquisas usando o simulador Sim4Life da ZMT Zurich MedTech mostraram que o radar de alta frequência é eficaz na estimativa do PVJ, já que a veia jugular externa está próxima à superfície da pele.

Essa proximidade significa que um radar de maior frequência pode focar seus efeitos de forma mais eficaz, resultando em medições precisas logo abaixo da pele.

#O Papel da Tecnologia de Radar FMCW

Este estudo propõe o uso da tecnologia de radar de Onda Contínua Modulada em Frequência (FMCW) para extração não invasiva do PVJ. O FMCW oferece melhor sensibilidade e resolução, o que é benéfico para pacientes que podem ser readmitidos frequentemente em hospitais. Essa tecnologia permite medições auto-administradas que podem reduzir as taxas de readmissão hospitalar, possibilitando intervenções precoces.

#Pesquisa Relacionada sobre Métodos de Medição do PVJ

Pesquisas exploraram várias técnicas para avaliar o PVJ, categorizadas como métodos invasivos, Não Invasivos de contato e não invasivos de não contato.

#Método Invasivo

O método invasivo mais comum é a canulação, onde um cateter é colocado em uma veia. Este método, considerado o padrão ouro, requer pessoal qualificado e pode levar a complicações.

#Método Não Invasivo de Contato

Os métodos não invasivos incluem técnicas de monitoramento intermitente e contínuo. O monitoramento contínuo é essencial para o cuidado remoto do paciente. Métodos utilizando sensores de pressão, ultrassom e PPG óptico (fotopletismografia) foram explorados.

Um estudo usou PPG de contato por refletância para traçar o PVJ colocando um sensor no peito superior. Embora promissor em termos de usabilidade, a inclusão de uma câmera infravermelha adiciona complexidade e custo. Outra técnica utilizou sensores acelerômetros para detectar vibrações na veia jugular e na artéria carótida, mas o movimento pode tornar esse método pouco confiável, especialmente em pacientes obesos.

Um sensor RF portátil de campo próximo foi proposto para possibilitar a detecção não invasiva do PVJ. Embora conveniente, ele tem dificuldade em fornecer quantificação precisa devido à sua metodologia de medição de ponto único.

#Método Não Invasivo de Não Contato

A PPG baseada em imagem emergiu como uma abordagem não invasiva para a avaliação do PVJ. Os pacientes podem permanecer confortáveis, mas esse método requer posicionamento específico, dificultando o monitoramento a longo prazo.

Realizar ultrassonografia da veia jugular interna (VJI) também se mostrou eficaz à beira do leito. No entanto, o ultrassom requer equipamentos especializados e pessoal treinado, limitando seu uso.

Outro estudo desenvolveu um protótipo de sistema não contatante usando radar de micro-ondas. O desafio com essa abordagem é que a interpretação dos sinais de pulso pode ser subjetiva, dificultando a padronização.

#Desafios no Monitoramento do PVJ

Monitorar o PVJ é vital devido à sua capacidade de refletir mudanças na pressão venosa. Os valores normais variam entre 4-6 mm Hg. No entanto, a pequena magnitude dos sinais do PVJ pode levar a falhas de observação, complicando o monitoramento. A medição precisa do PVJ requer alta sensibilidade para capturar esses sinais sutis sem obstruir a veia.

O interesse recente em sensores de radar de micro-ondas cresceu. Esse método possibilita o monitoramento não contatante de sinais vitais, permitindo a detecção de pequenos movimentos na superfície das atividades cardíacas e respiratórias. As configurações de antena podem ser ajustadas para focar em áreas específicas do corpo. Aplicações práticas desse método incluíram o uso de radar de micro-ondas montado no teto para detectar taxas respiratórias através de materiais de cama.

#Radar de Micro-ondas para Monitoramento do PVJ

Pesquisas mostraram que as técnicas de radar de onda contínua e FMCW alinham-se às necessidades para medições do PVJ. O uso dessa tecnologia de radar pode garantir que os pacientes experimentem menos estresse fisiológico enquanto proporciona acesso mais fácil ao monitoramento, especialmente para aqueles em áreas remotas.

Nosso estudo visa confirmar a eficácia de uma abordagem não invasiva com radar FMCW para medição do PVJ, desenvolvendo um sistema e avaliando seu desempenho por meio de dados experimentais.

#Entendendo Sistemas RF FMCW

Os sistemas de radar FMCW funcionam de maneira diferente do radar de onda contínua tradicional. Eles alcançam resolução de distância emitindo um sinal que varia em frequência. Quando esse sinal encontra um objeto, ele é refletido de volta como um eco. Esse sinal ecoado é processado para determinar a distância até o alvo.

O sistema consiste em um transmissor que envia um sinal modulado em frequência e um receptor que captura o sinal de retorno. Ao comparar as frequências transmitida e recebida, o sistema pode determinar a distância do alvo.

#Configuração de Simulação para Medição do PVJ

Para simular o impacto do radar na área do pescoço, utilizamos um método computacional baseado em diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) por meio de um software. Um modelo humano realista foi criado, segmentado em vários tecidos corporais.

Ao examinar a área do pescoço, focamos na veia jugular externa, que está localizada próxima à superfície da pele. Essa colocação permite medições eficazes do PVJ por meio do deslocamento da pele.

#Especificações do Radar

O radar escolhido para este estudo é econômico e opera na faixa de 60 GHz. Ele possui um transmissor e três receptores que estão posicionados em ângulos para desempenho ideal. O design do sensor de radar permite detectar pequenos movimentos, tornando-o adequado para estimar o PVJ.

#Configuração de Dados e Medição do Radar

Os dados do radar coletados durante as medições são organizados em uma estrutura tridimensional. Os dados são processados para obter informações sobre a distância e a velocidade do objeto. Esse processamento é necessário para rastrear o PVJ com precisão.

#Configuração Experimental para Coleta de Dados

Os dados foram coletados de um participante posicionado em vários ângulos para avaliar a veia jugular. O radar foi colocado corretamente para evitar interferência, garantindo medições precisas. A posição do corpo do participante impactou a visibilidade do PVJ, tornando crucial encontrar o ângulo certo.

#Análise de Dados e Processamento de Sinais

O processo de detecção do PVJ envolve converter dados brutos em uma forma mais utilizável. Ao aplicar técnicas como a Transformada Rápida de Fourier (FFT), podemos isolar sinais específicos de interesse, como o PVJ.

As mudanças no PVJ ocorrem durante o ciclo cardíaco, refletindo diferenças sutis de pressão. Isso pode ser difícil de detectar, então um simulador de sinais vitais foi empregado para ajudar a padronizar as medições, permitindo comparações mais fáceis entre os experimentos.

#Extração de Sinais do PVJ

O PVJ pode às vezes se sobrepor a sinais mais fortes de outras atividades fisiológicas, tornando difícil extrair formas de onda bem definidas. Isso pode obscurecer os dados, mas implementamos filtros projetados para reduzir a interferência de outros sinais.

Ao examinar a direção de onde os sinais chegavam, pudemos analisar melhor o PVJ. O objetivo era estabelecer uma compreensão clara das diferenças de tempo e amplitude nos sinais.

#Resultados e Descobertas

Nossas descobertas indicaram que o radar realizou medições não invasivas de PVJ de forma eficaz. A escolha do radar de 60 GHz foi justificada devido à sua alta resolução e capacidade de detectar pequenos movimentos na pele. Estabelecemos parâmetros ideais para realizar essas medições de forma eficaz.

A posição do radar em relação ao participante foi crítica. Se colocado muito perto, poderia embaçar o sinal, mas se muito longe, não capturaria o PVJ com precisão.

Uma avaliação adicional revelou que ajustes nas configurações do radar eram necessários para garantir leituras de PVJ de alta qualidade.

#Conclusão e Direções Futuras

Este estudo mostra o potencial do uso de um radar FMCW de 60 GHz para estimar o PVJ de forma não invasiva. Embora desafios permaneçam, nossas descobertas demonstram que essa tecnologia pode melhorar significativamente a detecção precoce da insuficiência cardíaca. Ao oferecer uma ferramenta valiosa para clínicos e pacientes, especialmente em áreas remotas, pode ajudar a reduzir as internações hospitalares. Pesquisas futuras irão aprofundar essas descobertas com um grupo maior de indivíduos. No geral, o potencial para essa tecnologia é promissor e pode levar a uma melhor gestão da insuficiência cardíaca de forma mais acessível.