Fotopletismografia

A pletismografia fotoelétrica, também conhecida como fotopletismografia, é um método não-invasivo para detecção do pulso cardíaco utilizando um detector fotoelétrico. O traçado da onda fotopletismográfica retrata as mudanças na atenuação que a energia luminosa sofre em seu caminho, quando transmitida ou refletida nos tecidos e corrente sangüínea (MOYLE, 2002).

Estas variações na intensidade da luz recebida pelo fotodetector dependem principalmente dos seguintes fatores (MOYLE, 2002):

9 Variações no fluxo total de sangue (venoso + arterial), sob o fotodetector;

9 Orientação dos eritrócitos; 9 Concentração dos eritrócitos; 9 Velocidade do sangue no local;

9 Distância entre a fonte de luz e o detector;

A Figura 9 ilustra como são posicionados os dispositivos optoeletrônicos na fotopletismografia reflexiva. Uma peça abriga os dispositivos em câmaras separadas evitando que ocorra a iluminação direta entre os mesmos, permitindo exclusivamente que a luz refletida atinja o fotoreceptor.

Figura 9 – Fotopletismografia reflexiva. Os dispositivos, emissor e receptor são isolados em câmaras separadas. Adaptado de Moyle (2002).

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Na fotopletismografia transmissiva, os dispositivos optoeletrônicos são posicionados em lados opostos da extremidade em interesse (como o dedo de uma das mãos). A Figura 10 ilustra como é utilizado o arranjo. O invólucro que abriga os dispositivos também serve para envolver e fixar o conjunto na extremidade do membro.

Figura 10 – Fotopletismografia transmissiva. Um encapsulamento especialmente desenhado abriga os dispositivos, emissor e receptor possibilitando ainda sua fixação a extremidade do

dedo. Adaptado de Moyle (2002).

Na fotopletismografia do tipo transmissiva (Figura 10), a luz monocromática difunde-se pelos tecidos alcançando o fotoreceptor que se encontra no lado contrário ao do emissor. Na fotopletismografia reflexiva (Figura 9), o fotoreceptor se localiza ao lado do emissor recebendo os fótons advindos do meio interno por reflexão. Em ambos os casos, a luz que atinge os tecidos e sangue é parcialmente absorvida, outra parte é parcialmente refletida e parcialmente transmitida atingindo o fotoreceptor. Essa componente que atinge o fotoreceptor carrega consigo variações de amplitude relacionadas às variações de volume do meio interno provocadas pela circulação arterial e venosa. A maior parte da luz incidente é absorvida pela pele, tecido, ossos, sangue venoso e sangue arterial não pulsátil (CHEANG & SMITH, 2003).

A relação existente entre a quantidade de luz absorvida em uma solução e a concentração de determinada substância naquela solução, foi primeiramente descrita por Johann Heinrich Lambert (1728-1777) em Augsberg – Alemanha, e foi publicada em 1760. Seu trabalho teve continuidade com August Beer (1853-1932), o qual propôs a Lei de Beer- Lambert (MOYLE, 2002).

Segundo a Lei de Beer-Lambert, a determinação da energia luminosa total transmitida através de uma solução possuindo determinada concentração de uma substância qualquer, é dada por:

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cd

e

I

I

=

₀ −ε(λ) _{Equação 1}

Na Equação 1, Io é a intensidade da luz incidente, ε(λ) é o coeficiente de extinção a um específico comprimento de onda λ, c é a concentração da substância absorvente e d é a distância (MIT, 2001).

Os coeficientes de extinção para a hemoglobina oxigenada (HbO2) e hemoglobina

não-oxigenada (Hb) estão traçados no gráfico apresentado na Figura 11. Neste gráfico, são dadas as curvas para o comportamento do coeficiente de extinção em função do comprimento de onda, tanto no caso da fotopletismografia transmissiva (linhas cheias) como da fotopletismografia reflexiva (linhas tracejadas).

Como informação adicional, tem-se à esquerda do gráfico um eixo que mostra a percentagem da luz que é refletida no caso da fotopletismografia reflexiva.

Figura 11 – Traçado das curvas do coeficiente de extinção da hemoglobina oxigenada (HbO2) e hemoglobina não oxigenada (Hb), para os casos da fotopletismografia transmissiva (linhas

cheias) e reflexiva (linhas tracejadas).

A validade da Lei de Beer-Lambert depende de certas condições, como o uso de fonte de luz monocromática (radiação em um único comprimento de onda, com faixa estreita), solução homogênea e isotrópica (na qual o índice de refração é o mesmo em

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todas as direções), ausência de reações fotoquímicas. O sangue, porém, é considerado um meio não homogêneo capaz de apresentar absorção não linear da luz (MOYLE, 2002).

O princípio de aplicação da fotopletismografia neste trabalho está baseado numa modificação da Lei de Beer-Lambert proposta por JONES et al. (1992). Consiste em fazer uma analogia entre a variável concentração (da Lei de Beer-Lambert) com o sangue e os tecidos. A intensidade da luz é convertida para valores de tensão (JONES et al., 1992). A Equação 1 transforma-se em:

( )

(

)

(

( )

)

)

(

ct tdt ca ada o

e

e

ZI

V

=

− ε λ − ε λ Equação 2

Onde

Z

é uma constante que relaciona a intensidade de luz recebida com a tensão na saída do circuito de detecção. O índice

t

indica variáveis com propriedades ligadas aos tecidos e o índice a, variáveis com propriedades ligadas ao sangue nas artérias. A

variável V é a tensão de saída do sensor.

A Equação 1, mostra um valor de tensão relacionado a intensidade da luz transmitida ou refletida via fotopletismografia, tendo como base as equações de Beer- Lambert. A partir dessa equação, seguem-se outras considerações e deduções que objetivam obter matematicamente a pressão arterial não-invasiva. O trabalho de JONES et al. (1992) encontra-se em uma patente registrada sob nº 5.140.990 do departamento de patentes dos Estados Unidos da América do Norte e é propriedade da SpaceLabs Inc. (U.S.A.).

A seleção do comprimento de onda para uso em fotopletismografia depende da finalidade com que esta será utilizada. Para oximetria são usados os comprimentos de 660 nm e 940 nm para detecção da hemoglobina reduzida e hemoglobina oxidada respectivamente, pois esses comprimentos de onda na região do vermelho e infravermelho são facilmente absorvidos pela hemoglobina. A faixa de comprimentos de onda sobre as quais as técnicas de espectroscopia podem ser utilizadas in vivo, esta limitada aos valores entre 600 nm e 1300 nm. Para comprimentos de onda mais curtos que 600 nm, a melanina, na pele, produz um alto nível de absorção enquanto comprimentos de onda maiores que 1300 nm sofrem forte absorção pelos tecidos e pela água (MOYLE, 2002).

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A Figura 12 ilustra o comportamento da absorção da hemoglobina na região do vermelho e infravermelho. O cruzamento das duas curvas caracteriza o ponto isobéstico, onde o comprimento de onda de 805 nm experimenta igual coeficiente de extinção pela hemoglobina oxigenada (HbO2) e hemoglobina não oxigenada (Hb).

Em aplicações onde se tem interesse apenas em preservar as características do sinal fotopletismográfico, pura e simplesmente, o comprimento de onda ideal é aquele que cruza o ponto isobéstico (805 nm para fotopletismografia transmissiva). Apesar disso, segundo pesquisas de MASCARO & ASADA (2001), o uso de outros comprimentos de onda podem ser utilizados satisfatoriamente.

Figura 12 - Comportamento da hemoglobina quanto à absorção em diversos comprimentos de onda.

A colocação dos dispositivos ópticos de fotopletismografia, geralmente é preferida nos sítios: dedos das mãos, dos pés e o lóbulo da orelha. Na Figura 13 vê-se o sensor óptico para fotopletismografia, normalmente usado em oximetria, colocado no dedo indicador da mão esquerda.

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Figura 13 - Sensor óptico de fotopletismografia colocado no dedo indicador da mão esquerda do paciente.

No documento Desenvolvimento de um sistema de telemetria para aquisição de sinais fisiológicos com aplicação em programas de reabilitação cardíaca (páginas 35-40)