Tecnologia quântica permite monitoramento não invasivo de atividade cardíaca fetal

Gabriel Landi é professor do Instituto de Física e coordenador do grupo de Termodinâmica Quântica e Transporte Quântico da USP;
Luciana Schmidt é médica ginecologista e obstetra e faz residência em Obstetrícia de Alta Complexidade na Unifesp

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Luciana Schmidt – Foto: Arquivo Pessoal

 

Gabriel Landi – Foto: Arquivo pessoal
O batimento do coração se dá através de pulsos elétricos que ativam os músculos responsáveis por bombear o sangue pelo corpo. Esses pulsos podem ser medidos posicionando eletrodos no corpo do paciente, técnica conhecida como eletrocardiograma. Devido à sua simplicidade e eficiência, este procedimento tornou-se corriqueiro no diagnóstico de doenças cardíacas. O eletrocardiograma, no entanto, não pode ser aplicado no monitoramento da atividade cardíaca fetal, uma vez que não é possível posicionar eletrodos em contato direto com o feto. Isso representa um grande empecilho no diagnóstico de doenças cardíacas intraútero, uma vez que a informação obtida através de técnicas como a ultrassonografia são muito menos detalhadas.

É possível que isso venha a mudar no futuro próximo, graças às chamadas tecnologias quânticas 2.0. Em artigo publicado recentemente na revista Scientific Reports*, pesquisadores do grupo de Física Quântica e do Departamento de Ciências Biomédicas da Universidade de Copenhague mostraram que é possível utilizar as propriedades quânticas de um vapor de césio para medir o sinal cardíaco de um feto de maneira não invasiva. Diferentemente do eletrocardiograma, a técnica dos pesquisadores baseia-se na medida dos sinais magnéticos, e não elétricos, que também são emitidos pelo coração durante o batimento. O vapor de césio, quando bombeado por um laser na frequência adequada, torna-se extremamente sensível a pequenas variações de campo magnético, funcionando como um sensor de altíssima precisão. Essa técnica já vem sendo testada para aplicações em diversas outras áreas como, por exemplo, na detecção de ondas gravitacionais. E, neste trabalho, os pesquisadores mostraram, pela primeira vez, sua viabilidade em aplicações clínicas.

No experimento, os pesquisadores utilizaram corações de porquinhos-da-índia, pois estes possuem tamanho e ritmo de batimento similares ao coração de um feto humano. Primeiramente os animais foram sacrificados e os corações removidos. Em seguida, os corações foram colocados em recipientes de acrílico e submetidos a uma solução salina rica em oxigênio, que permitia que eles voltassem a bater por algumas horas. Os batimentos foram então monitorados a uma distância equivalente à do coração fetal dentro do útero materno. Como resultado, eles foram capazes de demonstrar a detecção em tempo real de ondas P, complexos QRS e ondas T, os três principais componentes do eletrocardiograma tradicional.

Arritmias fetais acometem de 1% a 2% das gestações e representam condições de risco para a vida do bebê. Devido à dificuldade de execução do eletrocardiograma fetal, estas afecções acabam sendo identificadas através da ausculta médica ou da ultrassonografia obstétrica. No entanto, detectar uma arritmia numa ausculta requer ouvido treinado. Da mesma forma, a ultrassonografia obstétrica, por ser um método de imagem, é capaz de detectar somente alterações congênitas que possam ser a causa da arritmia ou, principalmente, as alterações sofridas pelo coração decorrentes do ritmo errôneo. Por esse motivo, a técnica de magnetocardiografia utilizando vapor de césio surge como um recurso valioso para o diagnóstico precoce de alterações cardíacas fetais, o que possibilitaria um manejo da doença antes do remodelamento cardíaco, com provável melhora do prognóstico desses bebês.

O eletrocardiograma, no entanto, não pode ser aplicado no monitoramento da atividade cardíaca fetal, uma vez que não é possível posicionar eletrodos em contato direto com o feto.

O dispositivo utilizado é facilmente miniaturizável e requer apenas materiais de baixo custo. Além disso, sua principal vantagem é funcionar à temperatura ambiente, reduzindo dramaticamente os custos de criogenia que muitas vezes encarecem significativamente aplicações clínicas (este é o caso, por exemplo, da ressonância magnética). Por esses motivos, os autores esperam ter uma versão comercializável do dispositivo em poucos anos. Aplicações em outras áreas de interesse, como no monitoramento da atividade cerebral, também estão sendo investigadas.

Tecnologias quânticas 2.0

A mecânica quântica foi uma teoria desenvolvida na década de 1920 com o intuito de explicar as propriedades de sistemas microscópicos, como átomos ou moléculas. E após quase 100 anos de existência ela é, sem dúvida, a teoria mais bem-sucedida da física, sendo a base para o funcionamento dos computadores e smartphones, além de várias outras tecnologias, como o laser, a ressonância magnética, as lâmpadas de LED e assim por diante. No entanto, a física quântica também prevê uma série de propriedades exóticas, que por muitas décadas estiveram fora do alcance dos experimentos. Por exemplo, sistemas quânticos podem estar simultaneamente em dois estados ao mesmo tempo, algo conhecido como coerência quântica. Outro exemplo é o famoso emaranhamento quântico, um tipo de correlação entre dois sistemas, mesmo que estejam arbitrariamente distantes um do outro. Quando dois sistemas estão emaranhados, a ação sobre um sistema imediatamente afeta o outro, mesmo se eles estiverem em galáxias diferentes. Tais propriedades são extremamente contra intuitivas, o que levou diversos pesquisadores, entre eles o próprio Einstein, a acreditar que a mecânica quântica não podia estar correta.

Hoje em dia sabemos que ela está. Passados quase 90 anos do desenvolvimento da mecânica quântica, nós podemos mostrar hoje que, de fato, propriedades como emaranhamento e coerência são reais. E mais do que isso, elas podem ser controladas no laboratório. Este novo grau de controle sobre sistemas físicos oferece oportunidades sem precedentes na história da ciência, algo que vem sendo chamado Segunda Revolução Quântica. As potenciais aplicações que podem surgir destes avanços vêm atraindo bilhões de dólares em investimentos, nos últimos cinco anos, de agências de fomento ao redor do mundo e de grandes empresas como Google, IBM e Microsoft.

O dispositivo do grupo de Copenhague é um exemplo extremamente bem-sucedido de metrologia quântica.

Entre as diversas aplicações em potencial dessas novas tecnologias quânticas, a que vem ganhando mais destaque no curto prazo é a metrologia quântica. Ou seja, o uso dessas propriedades exóticas para aumentar a sensibilidade de sensores e técnicas de imageamento. O primeiro exemplo de metrologia quântica, usado desde a década de 1960, foram os relógios atômicos, que continuam sendo até hoje os dispositivos mais precisos para a medição do tempo. No entanto, com os novos avanços tecnológicos, diversas novas aplicações em potencial vêm surgindo. Sensores de atração gravitacional ultraprecisos poderão ser empregados na prospecção de petróleo no fundo do oceano; estados quânticos da luz podem aumentar a resolução de microscópios ópticos; as vibrações quânticas de uma membrana nanométrica fornecem uma maneira de medir forças e torques com mais precisão, e assim por diante.

O dispositivo do grupo de Copenhague é um exemplo extremamente bem-sucedido de metrologia quântica. O césio possui níveis discretos de energia que são muito bem conhecidos. Quando o vapor de césio é bombeado por um laser, os átomos podem absorver e reemitir a luz, sofrendo transições para outros estados quânticos. O grande diferencial, no entanto, é que estes níveis quânticos dependem de forma muito sensível da presença de campos magnéticos. Portanto, mudando o campo magnético, altera-se a forma como o césio emite e absorve luz. Assim, monitorando o laser é possível obter informações detalhadas sobre o campo magnético. O dispositivo do grupo de Copenhague não é o único capaz de ter tal sensibilidade. No entanto, ele possui uma vantagem crucial frente às outras propostas: ele funciona à temperatura ambiente. Todos os outros sensores semelhantes já desenvolvidos requerem temperaturas baixíssimas, próximas do zero absoluto. Eles são, portanto, extremamente caros e em geral inviáveis para uso clínico. Já o dispositivo do grupo de Copenhague pode funcionar a qualquer temperatura, incluindo a temperatura corporal.

 

*Jensen et. al. Scientific Reports, 8, 16218 (2018).

 

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