Análise detalhada e diversificada
Cientistas da USP desenvolvem espectrômetro de ressonância magnética que pode ser adaptado a diferentes áreas, da saúde à aviação
Roberta Machado
Estado de Minas: 12/02/2014
Brasília –
Pesquisadores brasileiros desenvolveram um aparelho de análise de
materiais que chama a atenção por sua versatilidade, podendo ser
programado de acordo com a aplicação desejada. O novo espectrômetro de
ressonância magnética digital, criado no Instituto de Física de São
Carlos (IFSC), da Universidade de São Paulo (USP), tem funcionamento
mais amigável e eficiente que outros equipamentos do tipo e pode mudar
de função para uso em áreas como aeronáutica, agronomia, medicina,
pecuária e ciências dos materiais.
Os espectrômetros são uma espécie de leitores das propriedades físico-químicas dos objetos. A possibilidade de uso do equipamento é, portanto, imensa. Em um laboratório de química, por exemplo, funciona como um instrumento analítico de ressonância magnética. Já uma instituição especializada em agricultura pode usar o mesmo aparelho para buscar danos em sementes ou medir a quantidade de açúcares em frutas. E uma empresa de aviação, por sua vez, consegue detectar contaminações por óleo ou querosene em asas de aeronaves. O dispositivo pode, ainda, fazer o papel de um relaxômetro, usado pela indústria petrolífera para analisar o estado de amostras ou a porosidade de rochas.
De acordo com os responsáveis pelo projeto, no entanto, a maioria dos espectrômetros produzidos atualmente tem funcionalidade limitada a hospitais e laboratórios médicos. O setor com uma necessidade diferente precisa investir grandes quantias para adaptar um aparelho tradicional. No caso do dispositivo da USP, a plataforma pode ser modificada rapidamente e sem dificuldades. “O sistema é capaz de desempenhar diferentes funções de maneira mais amigável e eficiente que um espectrômetro convencional. Além disso, um mesmo conceito de hardware poderá ter diferentes aplicações, customizadas segundo a necessidade, sem perder a generalização”, compara Alberto Tannús, líder do projeto e coordenador do Centro de Imagens e Espectroscopia in vivo por Ressonância Magnética (CIERMag) do IFSC.
Os cientistas recorreram à tecnologia de lógicas programáveis (FPGA, do inglês Field Programmable Gate Arrays) para criar o aparelho de funcionalidade dinâmica. Assim como o cérebro de um recém-nascido, um chip de FPGA é constituído por várias portas lógicas, que podem ser conectadas de acordo com sua funcionalidade. No dispositivo de análise, essas “sinapses” eletrônicas podem ser reprogramadas várias vezes, de acordo com a necessidade do usuário. “No nosso caso, transformamos um chip com configuração genérica em um dispositivo capaz de atender a diferentes funcionalidades para aplicações de RM”, explica Tannús.
Cada renascimento da máquina como um novo tipo de aparelho exige somente um pequeno trabalho de adaptação. Depois que a nova funcionalidade é estabelecida, o usuário recebe um mapa das interconexões recém-criadas, que serve de guia para a programação do hardware com base em ferramentas disponíveis na internet. As metodologias de ressonância são desenvolvidas pelo usuário, de acordo com a função desejada.
O segredo do espectrômetro está na sua capacidade de “ler” o núcleo de átomos. Para isso, o aparelho usa um poderoso campo magnético e uma radiação de radiofrequência para analisar as chamadas transições de spins de núcleos atômicos, que podem ser detectadas em alguns tipos especiais de átomos. “A partir do perfil dos espectros obtidos com as análises de RMN, é possível determinar substâncias presentes em materiais, extratos de plantas, alimentos ou material biológico”, explica o professor Jarbas Magalhães Resende, do Laboratório de Ressonância Magnética Nuclear da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG).
Não invasivo A versatilidade do dispositivo ganha ainda mais possibilidades graças à própria tecnologia de espectrometria de ressonância, que, ao contrário da espectrometria de massas, pode analisar uma amostra sem destruí-la. “Ele pode analisar uma semente inteira e apontar o teor do óleo ou de umidade sem precisar destruir a amostra”, explica Fábio Neves dos Santos, estudante de doutorado e pesquisador do Laboratório ThoMSon de Espectrometria de Massas, da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Para o diagnóstico de uma árvore, por exemplo, o ideal seria usar a tecnologia não invasiva. Obviamente, esse também é o caso de um exame in vivo, seja em pacientes humanos ou em animais.
O aparelho brasileiro também tem a vantagem de fornecer os resultados da análise de forma mais simplificada. Enquanto os sistemas convencionais precisam ser interpretados e processados, a interface criada pela USP extrai os dados diretamente do processo e usa algoritmos de análise semântica para fornecer a informação estrutural diretamente ao usuário.
O CIERMag trabalha com sistemas de ressonância magnética desde os anos 1990, quando desenvolveu metodologias de imagens para operação clínica de um hardware usado em um hospital. O projeto mais ambicioso de criar um aparelho multiuso teve início em 2008 e, desde então, contou com a colaboração de uma dezena de alunos. Atualmente, a equipe trabalha no desenvolvimento das suítes de metodologias para as diferentes aplicações que podem ser atendidas pelo aparelho. O dispositivo já recebeu propostas e deve atender a parcerias nas áreas de equipamentos médicos, relaxometria e espectroscopia analítica.
Os espectrômetros são uma espécie de leitores das propriedades físico-químicas dos objetos. A possibilidade de uso do equipamento é, portanto, imensa. Em um laboratório de química, por exemplo, funciona como um instrumento analítico de ressonância magnética. Já uma instituição especializada em agricultura pode usar o mesmo aparelho para buscar danos em sementes ou medir a quantidade de açúcares em frutas. E uma empresa de aviação, por sua vez, consegue detectar contaminações por óleo ou querosene em asas de aeronaves. O dispositivo pode, ainda, fazer o papel de um relaxômetro, usado pela indústria petrolífera para analisar o estado de amostras ou a porosidade de rochas.
De acordo com os responsáveis pelo projeto, no entanto, a maioria dos espectrômetros produzidos atualmente tem funcionalidade limitada a hospitais e laboratórios médicos. O setor com uma necessidade diferente precisa investir grandes quantias para adaptar um aparelho tradicional. No caso do dispositivo da USP, a plataforma pode ser modificada rapidamente e sem dificuldades. “O sistema é capaz de desempenhar diferentes funções de maneira mais amigável e eficiente que um espectrômetro convencional. Além disso, um mesmo conceito de hardware poderá ter diferentes aplicações, customizadas segundo a necessidade, sem perder a generalização”, compara Alberto Tannús, líder do projeto e coordenador do Centro de Imagens e Espectroscopia in vivo por Ressonância Magnética (CIERMag) do IFSC.
Os cientistas recorreram à tecnologia de lógicas programáveis (FPGA, do inglês Field Programmable Gate Arrays) para criar o aparelho de funcionalidade dinâmica. Assim como o cérebro de um recém-nascido, um chip de FPGA é constituído por várias portas lógicas, que podem ser conectadas de acordo com sua funcionalidade. No dispositivo de análise, essas “sinapses” eletrônicas podem ser reprogramadas várias vezes, de acordo com a necessidade do usuário. “No nosso caso, transformamos um chip com configuração genérica em um dispositivo capaz de atender a diferentes funcionalidades para aplicações de RM”, explica Tannús.
Cada renascimento da máquina como um novo tipo de aparelho exige somente um pequeno trabalho de adaptação. Depois que a nova funcionalidade é estabelecida, o usuário recebe um mapa das interconexões recém-criadas, que serve de guia para a programação do hardware com base em ferramentas disponíveis na internet. As metodologias de ressonância são desenvolvidas pelo usuário, de acordo com a função desejada.
O segredo do espectrômetro está na sua capacidade de “ler” o núcleo de átomos. Para isso, o aparelho usa um poderoso campo magnético e uma radiação de radiofrequência para analisar as chamadas transições de spins de núcleos atômicos, que podem ser detectadas em alguns tipos especiais de átomos. “A partir do perfil dos espectros obtidos com as análises de RMN, é possível determinar substâncias presentes em materiais, extratos de plantas, alimentos ou material biológico”, explica o professor Jarbas Magalhães Resende, do Laboratório de Ressonância Magnética Nuclear da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG).
Não invasivo A versatilidade do dispositivo ganha ainda mais possibilidades graças à própria tecnologia de espectrometria de ressonância, que, ao contrário da espectrometria de massas, pode analisar uma amostra sem destruí-la. “Ele pode analisar uma semente inteira e apontar o teor do óleo ou de umidade sem precisar destruir a amostra”, explica Fábio Neves dos Santos, estudante de doutorado e pesquisador do Laboratório ThoMSon de Espectrometria de Massas, da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Para o diagnóstico de uma árvore, por exemplo, o ideal seria usar a tecnologia não invasiva. Obviamente, esse também é o caso de um exame in vivo, seja em pacientes humanos ou em animais.
O aparelho brasileiro também tem a vantagem de fornecer os resultados da análise de forma mais simplificada. Enquanto os sistemas convencionais precisam ser interpretados e processados, a interface criada pela USP extrai os dados diretamente do processo e usa algoritmos de análise semântica para fornecer a informação estrutural diretamente ao usuário.
O CIERMag trabalha com sistemas de ressonância magnética desde os anos 1990, quando desenvolveu metodologias de imagens para operação clínica de um hardware usado em um hospital. O projeto mais ambicioso de criar um aparelho multiuso teve início em 2008 e, desde então, contou com a colaboração de uma dezena de alunos. Atualmente, a equipe trabalha no desenvolvimento das suítes de metodologias para as diferentes aplicações que podem ser atendidas pelo aparelho. O dispositivo já recebeu propostas e deve atender a parcerias nas áreas de equipamentos médicos, relaxometria e espectroscopia analítica.
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