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1. WO2020107087 - DEVICE FOR MEASURING BONE DENSITY BY MEANS OF ELECTROMAGNETIC WAVES

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[ PT ]

Relatório descritivo da patente de invenção para "Medidor da densidade óssea através de ondas eletromagnéticas".

[001 ] Chamada comumente de doença silenciosa, a osteoporose é uma doença osteometabólica sistémica, caracterizada por baixa densidade mineral óssea (DMO), comprometendo a microarquitetura e a resistência óssea, expondo a pessoa ao risco de fraturas e, consequentemente, ao comprometimento da qualidade de vida, afetando sua mobilidade e independência, podendo ainda ocorrer, após a fratura, dores crónicas, deformidade, depressão ou morte por complicações médicas.

[002] Com o crescente aumento da população mundial há uma propensão ao desenvolvimento da osteoporose e as projeções para 2050 são de que o número de fraturas de quadril para homens e mulheres com idade entre 50 e 64 anos na América Latina vai aumentar em 400%, já para os grupos etários acima de 65 anos, será de 700% de aumento. Os procedimentos necessários para tratamento da osteoporose em idosos, somente no Brasil, foram da ordem de 3.252.756 procedimentos no triénio 2008 - 2010, que totalizaram R$ 288.986.335,15 gastos, em sua maioria, pelo sistema público de saúde - SUS.

[003] O diagnóstico e o tratamento precoce desta doença são fundamentais para a implantação de medidas preventivas, evitando a ocorrência de fraturas e, consequentemente, melhorando a qualidade de vida para a população, acarretando em redução de custos no tratamento e na melhora de vida do paciente. No entanto, os equipamentos de diagnóstico para osteoporose possuem custo elevado e, geralmente, são métodos invasivos, dificultando o diagnóstico do agravo em tempo adequado para tratamento.

[004] Esta invenção tem por objetivo determinar a maior ou menor densidade mineral óssea de forma não invasiva, desenvolvida com baixo custo e fácil acessibilidade à população, podendo ser usado como equipamento de triagem para diagnóstico de osteopenia e osteoporose.

[005] Para alcançar o objetivo acima criou-se um instrumento (Figuras 1 e 2) que é a combinação de aplicação de técnicas e conceitos de diversas engenharias como software, engenharia elétrica, engenharia da computação, ciência da computação e engenharia biomédica.

[006] Para a caracterização da menor ou maior densidade mineral óssea, o invento opera com ondas eletromagnéticas para a análise de permissividade elétrica no tecido ósseo, técnicas de extração de características e reconhecimento de padrões com o uso de redes neurais artificiais.

[007] Tais ondas são emitidas e recebidas por dois dispositivos com função de emissão e recepção de ondas eletromagnéticas, permeados por uma rede neural artificial que modula, aprende e informa o estado geral da densidade mineral óssea do paciente.

[008] A presente invenção tem como diferencial técnico não ser prejudicial aos tecidos biológicos, uma vez que opera na faixa de frequência de 2 GHz a 2,44 GHz, que está em conformidade com a Tabela de Atribuição de Frequências no Brasil, atualizada de acordo com a Conferência Mundial de Radiocomunicações, e as Notas Internacionais e Notas Específicas do Brasil aplicáveis. Já os aparelhos utilizados atualmente disponíveis no mercado, como o Dual Energy X-ray Absorptiometry (DEXA) e a Tomografia Quantitativa Computadorizada (TQC), possuem características de radiação ionizante que pode alterar ou destruir células do corpo humano (US20180168533 A1 ), como também são equipamentos de alto custo financeiro e que, geralmente, só estão disponíveis apenas em instalações especializadas e nas redes de média e alta complexidade.

[009] Ainda como diferencial e singularidade, a presente invenção possui baixo custo em seu processo de fabricação, portabilidade e simplicidade em sua operação. A determinação de baixa ou alta densidade óssea poderá ser realizada com maior periodicidade, abrangência maior de faixa etária do paciente, bem como acompanhamento contínuo do estado da densidade do paciente.

[010] Desta maneira, é importante ressaltar que a presente invenção tem como grande vantagem ser um equipamento que constitui uma plataforma inteligente para triagem e diagnóstico de alta ou baixa densidade óssea, através de ondas eletromagnéticas, usando como recurso para isso a atenuação de ondas eletromagnéticas e posterior utilização de inteligência artificial para sua classificação.

[011 ] Para atingir o objetivo anteriormente citado, utiliza-se neste invento um arranjo de dois módulos cujas funções são: receber um sinal eletromagnético de um gerador e emitir este sinal no espaço com eficiência e diretividade pré-estabelecida em função de sua configuração geométrica, e do outro lado, receber o sinal eletromagnético emitido pelo dispositivo gerador. Conectado ao receptor do sinal eletromagnético está um dispositivo que converte este sinal em uma determinada grandeza escalar que, adicionada a outras variáveis previamente coletadas do paciente, permite verificar a densidade mineral óssea baixa ou alta do mesmo.

[012] Como a osteoporose não apresenta outros sintomas evidentes, a não ser pela ocorrência de fratura quando a estrutura óssea se encontra significativamente comprometida, é de grande importância o teste de densidade óssea do paciente. Um teste de DMO é o único exame que pode diagnosticar a osteoporose antes da ocorrência de uma fratura, ajudando a estimar a densidade do osso e determinar o grau de fragilidade da estrutura óssea do paciente.

[013] Diversos dispositivos são especificados para medição de densidade óssea por meio de ultrassom, como as invenções registradas sob os números: US6899680B2, US7601120B2, US20030065264A1 , US6086538A,

US4976267A, US5772596A, US5452722A, US5564423A, US6285901 B1 , US5054490A, US4930511A, US20050113691 A1 , US6213958B1 ,

US5218963A,, apenas para citar alguns exemplos. Em todas estas invenções o método base de registro para diagnóstico é diferente ou tem formas de captação da mineralidade diferentes. Além disso, não possuem reduções

dimensionais no aparelho que justifiquem a captura dos dados el ou elementos que deem acurácia significativa na medição da densidade óssea do paciente.

[014] A patente US6221019B1 , tem em sua proposta o uso de Ressonância Nuclear Magnética (RNM) e Imagem por Ressonância Magnética (IRM), em que o paciente é submetido a um campo magnético intenso. Esta técnica não faz uso de frequência eletromagnética específica para determinação da densidade mineral óssea, a IRM está limitada, quase que exclusivamente, ao estudo do átomo de hidrogénio, que é a natureza do trabalho proposto na patente citada.

[015] No artigo "Bone Density Measurement Through Electromagnetic l l/aves" é proposto uma análise teórica do uso ondas eletromagnéticas, com duas antenas de microfita conectadas a um modelo específico de analisador de redes. A análise é feita em osso bovino e composição de sílica e pó de osso para análise da permissividade elétrica. No artigo, não há proposta de algum dispositivo que opere de forma independente, que seja possível fazer a mensuração da densidade mineral óssea in vivo com seres humanos.

[016] Já em outra invenção, que não têm proposta de ultrassom, como a patente US3639764A, tem-se a definição de um sistema de medição de densidade óssea com o uso de feixes de radiação ionizante através de uma seção do osso selecionada. Neste caso, vários adaptadores são fornecidos para se analisar diferentes extremidades do corpo humano, podendo assim digitalizar uma série de ossos diferentes no mesmo instrumento. Tem-se aqui a emissão de radiação ionizante com possibilidade de afetar tecidos biológicos, reduzindo a possibilidade de exames preventivos mais frequentes, dado o seu caráter.

[017] A patente US20160331301 A1 descreve uma proposta para medição de anormalidades dos tecidos duros e/ou moles incidentes em doenças dentárias ou sistémicas, usando um método de emissão e recepção do sinal eletromagnético, no entanto, o dispositivo não realiza a medição, esta é feita por um computador, o dispositivo apenas transmite e recebe as ondas eletromagnéticas.

[018] O documento US6490339B2 descreve um método para formar e ler uma imagem de radiação de um objeto. A radiação da onda eletromagnética que atravessa o objeto é absorvida pela tela de radiação da camada de armazenamento; formando uma imagem que posteriormente é enviada para um computador que aplica um algoritmo e então determina a densidade mineral óssea, baseada na equação BMD. Tal como a patente citada no parágrafo (17) este método necessita de um dispositivo externo (computador), para mensurar a densidade óssea.

[019] Já o documento de patente US4864594 propõe um sistema de medição de densidade óssea in vivo usando como proposta a radiação gama em absorptiometria de fótons duplos, também prejudicial aos tecidos biológicos.

[020] A patente US6213934B1 propõe uma análise não invasiva da densidade, arquitetura, força e risco de fratura óssea por meio de excitação elétrica com presença de dois eletrodos posicionados em lados opostos do osso. Esta tecnologia envolve o uso de uma tensão com frequência de 0Hz a 200MHz e de 1 Hz a 1000MHz, utilizando a transformada de Fourier para processamento do sinal. A patente referida depende de alguns equipamentos já disponíveis no mercado para funcionar, como o gerador de sinal Tektronix Modelo AWG 2040, osciloscópio modelo DSA 601 A, o calibrador eletrónico modelo Mitutoyo 610-0038, o analisador de redes modelo HewletT-Packard 8751A, além de software de terceiros, como o MATLAB. Sendo assim, não se trata de uma solução proprietária e nem mesmo portátil e de fácil operação, uma vez que necessita de grande quantidade de equipamentos e softwares conectados para o seu pleno funcionamento.

[021 ] A presente invenção é composta por três módulos distintos e estes, quando interligados, provêm o resultado de alta ou baixa densidade mineral óssea do paciente, bem como o armazenamento de todos os diagnósticos realizados, sendo capaz de registrar o histórico de cada paciente. Entende-se por interligação a conexão do módulo 1 com o módulo 2, por meio de qualquer meio físico de comunicação de dados.

[022] A presente invenção possui três módulos: o local - módulo 1 (Figura 3); o mobile - módulo 2 e o web - módulo 3. Tais módulos comunicam-se entre si a fim de permitir o processo de leitura e processamento das informações para armazenar e exibição de resultados.

[023] O módulo 1 , denominado módulo local, (Figura 1 e 2) consiste em um equipamento de leitura ( in vivo), com capacidade para suportar quaisquer protocolos que operem sobre os padrões IEEE 802. X (camada física e de enlace do modelo OSI); além de possuir um módulo Global Positioning System (GPS) com pinos de entrada e saída digitais, conexão de internet por meio de uma entrada para cartão SIM, que está apto a realizar a leitura em qualquer dos dedos da mão, adaptando-se a quaisquer que sejam as dimensões dos dedos do paciente (Figuras 7 e 8). Preferencialmente, a leitura deverá ser realizada na falange medial do dedo médio (Figura 7 - item 16). O módulo 1 tem capacidade de realizar o processamento dos dados recebidos pelo dispositivo receptor e enviá-lo através da porta USB (Figura 3 - item 4), wi-fi ou bluetooth (Figura 3 - item 1 ) para o módulo 2 concluir o processamento e determinar a baixa ou alta densidade mineral óssea.

[024] Esta leitura é possível em razão do posicionamento de dois ou mais dispositivos construído com metamateriais alinhados verticalmente e/ou horizontalmente (Figuras 4, 5 e 6) com capacidade tanto de transmitir como receber sinal eletromagnético por meio físico. Conectados a cada um destes dispositivos tem-se, de um lado, o dispositivo gerador de sinal eletromagnético (Figura 3 - item 1 ) capaz de gerar faixas de frequência pré-determinada (de 2 GFIz a 2,44 GFIz) e, do outro lado, um dispositivo receptor (Figura 3 - item 6) para captar o sinal emitido pelo dispositivo emissor (Figura 3 - item 5) e convertê-lo para posterior determinação de menor ou maior densidade mineral ossea.

[025] Nas Figuras 4, 5 e 6 são apresentadas a possibilidade de posicionamento dos dispositivos de leitura e recepção de dados (Figura 4 -itens 7 e 9, Figura 5 - itens 10 e 12, Figura 6 - itens 13 e 14) que podem estar dispostos como demonstrado nos itens 8, 11 ou 15.

[026] Antes da leitura do osso, o sistema realiza um processo de calibração em que é verificado o alinhamento dos dispositivos transmissores e receptores de sinal e é averiguado o funcionamento de todo o sistema. Após esse procedimento de calibração, o equipamento está pronto para realizar a leitura.

[027] Após a leitura, os valores são pré-processados no módulo 1 , tem uma unidade de processamento de alto desempenho com Rede Neural Artificial integrada para pré-processamento dos dados recebido; esta unidade compreende um hardware integrado em uma única placa, baseado em SoC ( system on a chip) composto de processador, memória RAM, dispositivo de armazenamento de dados, portas USB e conectividade com rede wi-fi e, posteriormente, enviados para o módulo 2, chamado de mobile, que em conjunto com outras variáveis já cadastradas realiza o diagnóstico de alta ou baixa densidade mineral óssea. Este segundo módulo é composto de uma unidade de processamento de alto desempenho com Rede Neural Artificial integrada para pré-processamento dos dados recebidos. A unidade de processamento de alto desempenho é um hardware integrado em uma única placa, baseado em SoC ( system on a chip) composto de processadores, memória RAM, dispositivo de armazenamento de dados, portas USB e conectividade com rede wi-fi ou padrão ethernet.

[028] Associado a este hardware está um software para armazenamento e processamento de dados capaz de receber as informações do paciente e, posteriormente, realizar o processamento do resultado de baixa ou alta densidade mineral óssea com apoio de uma Rede Neural Artificial. Este módulo está interconectado ao terceiro módulo, chamado de web.

[029] O módulo web, é uma plataforma computacional com servidores de rede utilizando: processadores x86-64 com configurações variando de 1 a 20

unidades virtuais de processamento por Cloud Server, a velocidade virtual de processamento pode variar por unidade de 1 ,0 GHz ou 2,0 GHz, memória RAM virtual alocada para uso de um Cloud Server, com virtualização do tipo Container, variando de 0,5 GB até 256 GB por unidade de Cloud Server, e Discos virtuais de, no mínimo, 20 GB alocados dinamicamente, sendo utilizada a quantidade necessária para o adequado desempenho do sistema.

[030] O módulo local é responsável por realizar a leitura do nível de densidade mineral óssea do paciente (Figura 3). Através de dispositivos conectados (Figura 3 - itens 1 e 2), que se utiliza de um algoritmo inteligente de visão computacional, é processado todas as leituras adquiridas gerando um resultado visualizado por meio de outro módulo chamado de mobile. Não obstante, todas as leituras capturadas pelo módulo local são armazenadas em uma unidade de disco presente neste (Figura 3 - item 3), posteriormente ao sincronizar com o módulo 3 - web através de uma conexão com a internet esses são armazenados para futuramente serem visualizados.

[031 ] O módulo supervisório web é responsável por receber e disponibilizar de forma online, por meio de uma aplicação web restrita à equipe médica, todas as leituras fornecidas pelo módulo local.