Theo Zeferino Pavan.

Auxílio à Participação em Evento - FAPESP - Processo 2019/13450-0 para participação, com apresentação oral, no 2019 IEEE International Ultrasonics Symposium realizado em Glasgow - Escócia. Valor financiado: US$ 4.669,90.

Esse projeto foi uma iniciativa de alguns estudantes de nosso programa de pós-graduação
e conta com a participação de 6 alunos do ensino médio e fundamental de escolas da
região de Ribeirão Preto. Tem como objetivo geral induzir o pensamento científico e a
percepção dos princípios físicos englobados em atividades rotineiras. Os objetivos específicos
são: i) Planejamento do desenvolvimento de um carrinho de rolimã; ii) Compreensão
dos conceitos físicos; iii) Características do carrinho que influenciam nos fenômenos
físicos observados; iv) Análise dos experimentos realizados aplicando os conceitos teóricos.

Auxílio à Participação em Evento - FAPESP - Processo 2012/14172-5 para participação, com apresentação oral, no 2012 IEEE International Ultrasonics Symposium realizado em Dresden - Alemanha. Valor financiado: R$ 3.542,66 e US$ 2.266,07

A nanomedicina no combate ao câncer tem sido o foco de pesquisas, pois abre a possibilidade de novas abordagens diagnósticas e terapêuticas para superar algumas desvantagens dos tratamentos convencionais. Por exemplo, para diminuir a resistência de tumores à quimioterapia e radioterapia e controlar os efeitos colaterais de drogas anticancerígenas. As nanopartículas superparamagnéticas de óxido de ferro (SPIO) são biocompatíveis e apresentam propriedades intrínsecas únicas, o que permite que sejam utilizadas em uma ampla gama de aplicações. Elas podem ser usadas como agentes de contraste em várias técnicas de imagem, agentes para rastreamento de células, transportadores para entrega de drogas direcionadas, como agentes terapêuticos e como biossensores. A ultrassonografia é uma técnica de imagem amplamente utilizada para fins de diagnóstico médico. Para obter imagens moleculares baseadas em ultrassom, as nanopartículas são frequentemente usadas como agentes de contraste molecular, pois são pequenas o suficiente para atravessarem as barreiras biológicas e então se acumularem na região doente. No entanto, a ultrassonografia não é adequada para a visualização direta de nanopartículas, uma vez que uma única nanopartícula ou mesmo um agrupamento de nanopartículas não permitem contraste adequado. Diferentes estratégias têm sido propostas para superar essa limitação; por exemplo, a imagem fotoacústica e a magnetoacustografia (MMUS). MMUS é uma técnica de imagem em que o ultrassom é usado para mapear a distribuição de nanopartículas magnéticas dentro dos tecidos, detectando microvibrações originadas da interação de nanopartículas com um campo magnético externo variável no tempo. Um desafio chave na imagem molecular é aumentar a sensibilidade para detectar a entrega e internalização de nanopartículas pelas células. Estudos recentes relataram a viabilidade do uso de técnicas de imagem fotoacústica e MMUS para detectar a endocitose de nanopartículas em células vivas. Isso foi alcançado porque nanopartículas SPIO acumuladas intracelularmente geraram uma amplificação não linear do sinal MMUS, enquanto o sinal fotoacústico não foi afetado pela entrega dos dessas nanopartículas. Portanto, a internalização de nanopartículas nas células foi avaliada analisando a relação entre as respostas fotoacústicas e MMUS. Um método para melhorar a entrega de nanopartículas às células, em locais específicos, envolve o uso de microbolhas de gás encapsuladas. Ao irradiar as microbolhas com ultrassom de onda contínua elas oscilam causando variação de pressão no meio circundante. Essa perturbação aumenta a captação de nanopartículas pelas células por meio de diferentes rotas, como sonoporação, endocitose aprimorada e abertura de contatos célula-célula.

O efeito fotoacústico possibilita o acesso, aliado à ultrassonografia convencional, a um tipo de imagem médica com características únicas: indicar tanto eventos fisiológicos quanto a composição molecular de tecidos em conjunto com informações anatômicas. Durante o projeto Jovem Pesquisador (2013/18854-6), foi estabelecido um laboratório dedicado ao desenvolvimento de tecnologias em imagens fotoacústicas. Nessa estrutura já foram conduzidos estudos envolvendo imagens fotoacústicas espectroscópicas para quantificar corantes, nanopartículas e cromóforos endógenos, além de imagens térmicas para monitorar procedimentos de hipertermia, entre outros. A hipertermia magnética tem sido estudada como uma modalidade de tratamento de câncer. No entanto, desafios como mapear as nanopartículas magnéticas nos tecidos e monitorar a temperatura durante o tratamento dificultam que essa técnica seja efetivamente aplicada na rotina clínica. No presente projeto serão desenvolvidas plataformas para integrar técnicas ultrassônicas associadas à óptica (imagem fotoacústica) e ao magnetismo (magnetoacustografia) em sistemas teranósticos, com o objetivo de aumentar a capacidade de mapear a distribuição espacial de nanopartículas magnéticas e temperatura em procedimentos terapêuticos de hipertermia magnética. A combinação dessas técnicas permitirá o mapeamento de outros parâmetros como saturação de oxigênio e viscoelasticidade durante o procedimento de hipertermia. Esses métodos híbridos serão avaliados em experimentos com phantoms que simulem propriedades físicas de tecidos biológicos e com tumores subcutâneos em camundongos.

O efeito fotoacústico possibilita o acesso, aliado à ultrassonografia convencional, a um tipo de imagem médica com características únicas: indicar tanto eventos fisiológicos quanto a composição molecular de tecidos em conjunto com informações anatômicas. Durante o projeto Jovem Pesquisador (2013/18854-6), foi estabelecido um laboratório dedicado ao desenvolvimento de tecnologias em imagens fotoacústicas. Nessa estrutura já foram conduzidos estudos envolvendo imagens fotoacústicas espectroscópicas para quantificar corantes, nanopartículas e cromóforos endógenos, além de imagens térmicas para monitorar procedimentos de hipertermia, entre outros. A hipertermia magnética tem sido estudada como uma modalidade de tratamento de câncer. No entanto, desafios como mapear as nanopartículas magnéticas nos tecidos e monitorar a temperatura durante o tratamento dificultam que essa técnica seja efetivamente aplicada na rotina clínica. No presente projeto serão desenvolvidas plataformas para integrar técnicas ultrassônicas associadas à óptica (imagem fotoacústica) e ao magnetismo (magnetoacustografia) em sistemas teranósticos, com o objetivo de aumentar a capacidade de mapear a distribuição espacial de nanopartículas magnéticas e temperatura em procedimentos terapêuticos de hipertermia magnética. A combinação dessas técnicas permitirá o mapeamento de outros parâmetros como saturação de oxigênio e viscoelasticidade durante o procedimento de hipertermia. Esses métodos híbridos serão avaliados em experimentos com phantoms que simulem propriedades físicas de tecidos biológicos e com tumores subcutâneos em camundongos.

Os avanços científicos e tecnológicos em transdutores biomédicos estão proporcionando o desenvolvimento de novas plataformas híbridas para o apoio ao diagnóstico e terapia. Essas tecnologias híbridas são denominadas de sistemas teranósticos. O Grupo de Inovação em Instrumentação Médica e Ultrassom (GIIMUS) da USP de Ribeirão Preto, em colaboração com outros centros nacionais e internacionais, tem explorado novas tecnologias ultrassônicas em combinação com outras técnicas magnéticas e ópticas para aplicações em biomedicina. Por exemplo, se um meio está marcado com nanopartículas magnéticas e está sob a ação de um campo magnético oscilante externo, ele ficará magnetizado e ocorrerão pequenas vibrações mecânicas devido à força magnética entre o campo externo e a própria magnetização das partículas. Nesse caso, a localização das partículas e as propriedades mecânicas desse meio poderão ser diagnosticadas usando medidas de susceptometria magnética e técnicas de elastografia por ultrassom. Além disso, esse mesmo meio poderá ser aquecido para fins terapêuticos usando também um campo magnético externo oscilante e/ou radiação ultrassônica de alta potência. O mapeamento da variação térmica das estruturas internas do tecido poderá ser obtido com o próprio sistema de ultrassom. Da mesma forma, quando um meio for excitado com luz pulsada, esta será absorvida e ondas mecânicas serão geradas devido ao efeito termoelástico. Essas ondas de pressão poderão ser detectadas usando transdutores ultrassônicos configurados apenas como receptores acústicos. Dessa forma, usando marcadores magnéticos e/ou ópticos, podem-se gerar imagens moleculares usando perturbação mecânica por forças de não contato usando excitação magnética e óptica e detecção das propriedades mecânicas e térmicas do meio usando técnicas ultrassônicas. As principais metas a serem desenvolvidas neste projeto consistirão em: 1- Implementação e aplicação de novas técnicas elastográficas por ultrassom em uma plataforma de ultrassom programável dedicada (Verasonics ); 2- Desenvolvimento e aplicação de plataformas teranósticas usando luz e magnetismo para gerar perturbações mecânicas das estruturas internas dos tecidos marcados com nanopartículas funcionalizadas e diagnóstico das propriedades viscoelásticas e térmicas dessas estruturas por métodos ultrassônicos; 3- Aplicação de um transdutor híbrido composto de susceptometria magnética e ultrassonografia para estudo da farmacocinética em modelos animais marcados com nanopartículas magnéticas funcionalizadas; 4 - Estudos das micro estruturas ósseas usando forças de radiação ultrassônica focalizada de alta frequência (MHz) e detecção da radiação acústica em baixa frequência. (AU)

O Departamento de Física da FFCLRP oferece disciplinas que vão desde a Física Básica e Biofísica, até disciplinas aplicadas, por exemplo, aquelas disciplinas que abordam os conceitos físicos de técnicas de diagnóstico por imagem e terapia do câncer. Algumas das disciplinas oferecidas possibilitam que os alunos tenham acesso aos conceitos básicos necessários para o desenvolvimento de equipamentos eletromédicos. Esse tipo de disciplina, além de possibilitar que os alunos atuem em funções com essa natureza técnica em empresas, é de extrema importância para fomentar a criação de startups de base tecnológica oriundas de alunos do nosso campus. Na graduação, podemos listar as seguintes disciplinas com essas características: as obrigatórias 5910177 - Física Experimental - Eletricidade e Magnetismo; 5910130 Eletrônica; 5910230 - Introdução à Instrumentação Biomédica e a optativa 5910183 - Introdução à Automação de Equipamentos Biomédicos. Nesse aspecto, propomos uma alteração substancial de conteúdo e uma forte modificação na conduta de transmissão e consolidação do conhecimento associado. Isso inclui redução de conteúdo expositivo com aumento de carga didática aplicada. Complementarmente, propomos a criação de duas disciplinas em temáticas associadas: Introdução à Ciência de Dados para Física Médica e outra disciplina que abordará conceitos de prototipagem rápida com impressoras 3D. Essa modernização curricular visa motivar as gerações atuais com ações dinâmicas, como por exemplo, desenvolvimento de projetos e protótipos atualizados com os atores tecnológicos correntes a uma geração conectada. Com essas ações esperamos também atrair mais alunos de outros cursos e unidades da USP.

Propõe-se estudar os artefatos gerados na imagem fotoacústica, principalmente aquelesoriundos do chamado clutter. Para tal, serão realizados simulações computacionais e experimentosem phantoms utilizando diferentes geometrias de aquisição de sinal, métodos de reconstruçãoe configurações de iluminação da região de interesse, buscando um melhor entendimentoda origem dos artefatos e consequente otimização da qualidade de imagem obtida. Nesse contextoserão desenvolvidos dois métodos para redução de ruídos em imagens fotoacústicas. Noprimeiro, a técnica coerência espacial de curta distância será avaliada para esse propósito. Nosegundo, estudaremos como a junção da técnica de magnetoacustografia às imagens fotoacústicaspode auxiliar na diminuição desses artefatos.

A ultrassonografia convencional é uma das técnicas de imagem mais usadas atualmente para o diagnóstico médico. Essa modalidade de imagem apresenta boa resolução espacial, imagens em tempo real, entre outras características favoráveis. Contudo, não é apropriada para visualização de eventos em níveis celulares e moleculares. A imagem fotoacústica é uma técnica que emprega ondas ultrassônicas e tem mostrado resultados promissores na obtenção de imagens funcionais e moleculares. Esta modalidade de imagem baseia-se no efeito fotoacústico, que se refere à geração de ondas acústicas devido à absorção de luz e uma consequente expansão termoelástica do tecido. Ou seja, seu contraste está relacionado à absorção óptica no tecido que depende de sua composição molecular. As características do sinal fotoacústico também dependem das características viscoelásticas do tecido. Este projeto envolve o desenvolvimento de uma plataforma para caracterização das propriedades mecânicas, térmicas e funcionais de tecidos a partir de imagens de ultrassom e fotoacústica. Nesse cenário, também serão estudadas técnicas para avaliação de fluxo por fotoacústica Doppler usando um laser de ondas contínuas. As técnicas serão caracterizadas a partir de phantoms viscoelásticos construídos com as características apropriadas para avaliar as modalidades de imagem propostas.

Nesse projeto de pesquisa será avaliada a junção da imagem fotoacústica à ultrassonografia para o monitoramento da temperatura durante a aplicação de técnicas de diagnóstico e terapia que estão atualmente em desenvolvimento em nosso grupo de pesquisa. Mais especificamente, técnicas envolvendo a iteração de nanopartículas magnéticas com campos magnéticos externos como a magnetoacustografia e hipertermia magnética para o tratamento de tumores. Também serão investigadas técnicas que envolvem a aplicação de campos acústicos altamente focalizados e de alta intensidade para obtenção de imagens elastográficas e para o tratamento de tumores (HIFU- acrônimo do inglês para High-Intensity Focused Ultrasound).

A proposta do Núcleo de Apoio a Pesquisas em Física Médica, NAP-FisMed, prevê a pesquisa de diferentes métodos de diagnóstico, terapia e modelagem de tumores, visando propor técnicas que possam facilitar a prática clínica através da busca de métodos não-invasivos e/ou mais eficientes e rápidos e baratear procedimentos através do desenvolvimento de instrumentação específica e de técnicas apropriadas. Para maiores informações acessar: http://www.fismed.nap.usp.br/

Este projeto envolve uma nova modalidade de imagem por ultrassom baseado na medida da emissão acústica de meios excitado com um pulso ultrassônico. Esta técnica foi denominada de Acustografia por Pulso-Emissão (APE). Os principais objetivos neste projeto são: explorar os fenômenos físicos envolvido neste processo de emissão acústica; implementar e caracterizar um sistema para formação de imagem das estruturas internas de amostras com propriedades mecânicas e acústicas equivalentes às dos tecidos biológicos. O pulso de excitação ultrassônico será em MHz e o sinal acustico emitido, resultante da interação deste pulso com as estruturas internas da amostra, será na faixa de HZ e KHz e será adquirido com o uso de um hirofone dedicado