Pesquisadores do Departamento de Engenharia Elétrica (SEL) da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da USP desenvolveram um sistema completo de Estimulação Cerebral Profunda ( DBS, do inglês Deep Brain Stimulation ), utilizado como parte de terapia para problemas neurológicos e de movimentação, como dor crônica, Parkinson, tremores, entre outros. Seu grande diferencial é o uso de componentes comerciais de baixo custo para elaborar o protótipo de um microdispositivo que capta os sinais do cérebro e produz os estímulos por meio da geração e emissão de sinais elétricos. O estudo conta com a colaboração de pesquisadores da Universidade do Minho , em Portugal.
A Estimulação Cerebral Profunda (DBS) é um procedimento cirúrgico que envolve a implantação de um dispositivo médico denominado neuroestimulador, que envia impulsos suaves para zonas específicas do cérebro por meio de eletrodos implantados. A corrente elétrica utilizada é muito baixa e é injetada em pontos estratégicos do cérebro, que são, na sua maioria, profundos.
O neuroestimulador, normalmente implantado no peito, é um equipamento com dimensões não maiores que uma caixa de fósforos e possui uma bateria acoplada para prover alimentação e garantir a operação. O procedimento foi autorizado pela Food and Drug Administration ( FDA ), agência dos Estados Unidos similar à Agência Nacional de Vigilância Sanitária ( Anvisa ) brasileira, em 1997, em princípio para o tratamento da doença de Parkinson. Após ter sido comprovada sua eficácia, seu uso foi autorizado e ampliado também para o alívio de sintomas associados a perturbações neurológicas e dos movimentos que não é obtido com outras terapias, como dor crônica, doença de Parkinson, distonia, obesidade mórbida, síndrome de Tourette, tremor essencial e o Transtorno Obsessivo-Compulsivo (TOC).
Contudo, grande parte dos sistemas DBS comerciais possui um limitador. Quem explica é João Paulo Pereira do Carmo, professor e pesquisador do Grupo de Metamateriais, Microondas e Óptica (Gmeta), do Departamento de Engenharia Elétrica da EESC, e coordenador do estudo. “A maioria permite gerar um conjunto muito limitado de formas de onda pré-definidas, sobretudo com a forma retangular. Não é possível gerar outros tipos de ondas nem ajustar dinamicamente os parâmetros de estimulação durante o tratamento, e muito menos adaptar a tecnologia a mudanças nos estados cerebrais”, relata. “Além disso, a maioria dos sistemas de DBS disponíveis só consegue prover sinais de corrente constante e os poucos que permitem ajustar a amplitude da corrente não deixam que isso seja feito por software. Essas limitações nos motivaram ao estudo de desenvolvimento de um sistema mais avançado.”
Parâmetros de estimulação
Para compreender a relevância do trabalho dos pesquisadores da EESC, é necessário aprofundar um pouco mais o entendimento acerca da Estimulação Cerebral Profunda (DBS). Existem dois paradigmas para sua classificação: o DBS em malha aberta (Open-Loop DBS, também conhecido como DBS convencional) e o DBS em malha fechada (Closed-Loop DBS, também conhecido como DBS adaptativo). “No caso do DBS de malha aberta, um neurologista ajusta manualmente os parâmetros de estimulação a cada três a 12 meses após a implantação. Aqui, apenas se injeta pulsos elétricos para estimular determinadas regiões do cérebro. Todavia, existem casos em que a terapia é ineficaz ou causa habituação e, portanto, redução da eficácia”, afirma o professor da EESC.
“Já no caso do DBS em malha fechada, a programação dos parâmetros de estimulação é realizada automaticamente, com base nos biomarcadores medidos e que podem possuir naturezas diversas, como bioelétrica, psicológica, bioquímica, entre outras. O comportamento dos biomarcadores são indicadores imprescindíveis no DBS em malha fechada porque, com base na doença a tratar, ajudam a reconfigurar e adaptar os sinais usados na neuroestimulação”, detalha Carmo. “A grande vantagem é que, ao combinar aquisição de sinais neuronais com neuroestimulação elétrica, permite que a terapia se adapte ao longo do tempo e que um protocolo específico para cada doente possa ser definido, personalizando o tratamento.”
No estudo do Departamento de Engenharia Elétrica da EESC, os pesquisadores desenvolveram um sistema completo de DBS em malha fechada usando componentes comerciais de baixo custo e de um microdispositivo em CMOS de 65 nm da TSMC, contendo os módulos de aquisição de biopotenciais (sinais neuronais) e neuroestimulação para futura produção de uma solução 100% integrada para DBS em malha fechada. No processo de desenvolvimento do sistema, os pesquisadores contaram com a colaboração do neurologista e professor da Faculdade de Medicina da USP (FMUSP), Erich Talamoni Fonoff, e de Eduardo Colombari, professor do Departamento de Fisiologia e Patologia da Faculdade de Odontologia da Universidade Estadual Paulista (Unesp) de Araraquara.
Resultados promissores
Os estudos, publicados recentemente nos periódicos científicos Electronics em julho de 2023 e no J ournal of Low Power Electronics and Applications em maio deste ano, conceituados periódicos científicos, avançam e já trazem resultados promissores. “Conseguimos desenvolver um microdispositivo e um sistema completo de DBS em malha fechada. Seguimos no avanço da pesquisa que, para além de todas as suas contribuições para a área médica, também traz benefícios na questão socioeconômica, não só tornando o País independente da importação destes dispositivos médicos, como até oferecendo o sistema globalmente, incrementando a utilização da Estimulação Cerebral Profunda em malha fechada”, avalia Carmo.
De acordo com o professor da EESC, entre os próximos passos a serem dados na pesquisa estão a realização de testes in vivo em animais; o refinamento dos protótipos que ainda se encontram no nível de prontidão tecnológica TRL 4 (Technology Readiness Level 4) ou seja, de tecnologia validada ao nível laboratorial (TRL 4: Technology Validated in lab); e a integração de um microdispositivo CMOS completo de CLDBS para implantação. “A engenharia tem conexões muito fortes com a área médica, em especial com dispositivos médicos, e pode contribuir decisivamente no desenvolvimento de soluções que tenham como foco a evolução de terapias e tratamentos para pacientes”, ressalta Carmo.
“A Engenharia Biomédica da EESC tem formado profissionais capazes de fazer a diferença e incrementar parcerias relevantes ligadas ao setor médico. O nosso estudo é um exemplo do potencial da sinergia existente entre essas áreas”, conclui o professor. A pesquisa foi financiada pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP).
*Informações do Jornal da USP / Assessoria de Comunicação da EESC, adaptado por Júlio Bernardes.