Prospects of microwave spectrometry for vascular stent monitoring. Towards a non-invasive and non-ionizing follow-up alternative
- Autores: Gianluca Arauz Garofalo
- Directores de la Tesis: Javier Tejada Palacios (dir. tes.), Antoni García Santiago (dir. tes.), Giancarlo Franzese (tut. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Josepa Mauri Ferré (presid.), Gabriel Gomila Lluch (secret.), Jordi Romeu Robert (voc.)
- Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Física
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX Dipòsit Digital de la UB
- Resumen
Esta tesis se titula Prospects of microwave spectrometry for vascular stent monitoring: Towards a non-invasive and non-ionizing follow-up alternative. En ella se recoge gran parte de los trabajos que realicé en el Grup de Magnetisme de la Universitat de Barcelona entre los años 2010 y 2016. A lo largo de la presente memoria he evaluado las perspectivas de una técnica basada en microondas, bautizada como espectrometría de microondas, como posible alternativa no invasiva y no ionizante para el seguimiento médico de pacientes con estents vasculares. La ordenación de los capítulos de esta tesis es bastante fiel al orden cronológico en el que se obtuvieron y se publicaron los resultados. Parte del contenido de los Capítulos 2, 3 y 4 fue publicado en 2014 en un extenso artículo enviado a la revista Medical Physics. De la misma manera, parte del contenido del Capítulo 5 fue publicado en 2015, esta vez de forma más sumaria, en la revista Biomedical Physics & Engineering Express. Estos dos artículos, además de representar las primeras publicaciones del Grup de Magnetisme sobre “microondas y estents”, sirvieron de base para solicitar dos proyectos: el primero financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad [TEC2013-49465-EXP, de un año de duración (iniciado en Febrero 2015)]; y el segundo por la Fundació La Marató de TV3 [201535-30-31, de tres años de duración (iniciado en Enero de 2016)]. A pesar de haber trabajado en ambos, la presente memoria no recoge mis contribuciones en dichos proyectos.
La tesis mantiene un tono marcadamente experimental e interdisciplinar desde el capítulo introductorio. Dependiendo de la experiencia del lector, el contenido de la memoria puede llegar a parecer “demasiado médico” o “demasiado técnico”. Como físico, he intentado combinar ambos enfoques en su justa medida, pretendiendo transmitir los resultados independientemente de la experiencia original del lector.
El Capítulo 1 consta de una introducción médica retrospectiva y generalista, así como de un resumen sobre los últimos avances en las técnicas de monitorización de stents basadas en microondas. En la primera parte de este capítulo se repasa el impacto de las enfermedades cardiovasculares y circulatorias en las estadísticas de mortalidad globales, resaltando la cardiopatía isquémica como la principal causa de mortalidad mundial. A continuación, se revisa el desarrollo histórico de las intervenciones coronarias percutáneas, haciendo especial énfasis en la angioplastia de globo y los estents. Después de exponer los prometedores resultados de estas revolucionarias estrategias, se presenta la restenosis intra-estent como la principal complicación derivada de la implantación del estent, haciendo inevitable el seguimiento médico invasivo e/o ionizante de los pacientes con estents. Finalmente se resume las principales técnicas de monitorización de estents basadas en el uso de microondas propuestas recientemente.
En el Capítulo 2 se introduce el funcionamiento del montaje de espectrometría de microondas. Primero mostramos cómo el equipo es capaz de obtener la absorbancia de un estent en función de la frecuencia y el ángulo azimutal de los campos de microondas incidentes. También se ilustra cómo toda esta información puede combinarse en un único diagrama de absorción, y cómo se identifican las frecuencias de resonancia de los estents sobre dichos diagramas. A modo de ejemplo se presenta un diagrama de absorción típico con la intención de ilustrar las características generales de dichas resonancias. Concretamente se destaca su naturaleza discreta y sus patrones angulares multilobulares.
En el Capítulo 3 se caracteriza un gran número de estents de diversos tamaños nominales con la intención de interpretar las resonancias de los estents en términos de dispersión de microondas. Primero se encuentra que las frecuencias de resonancia siguen una dependencia recíproca con la longitud de los estents. Esto permite obtener una expresión empírica para la frecuencia en función de la longitud simplemente ajustando dos parámetros. Sin embargo, no se pudo encontrar una expresión análoga para el diámetro de los estents. En cualquier caso, al inspeccionar la dependencia de la frecuencia con del diámetro, se descubre inesperadamente como la arquitectura del estent influye en su correspondiente frecuencia de resonancia. Recopilando todos estos resultados finalmente se sugiere un sencillo modelo medio empírico medio teórico que relaciona la frecuencia de resonancia del estent con su integridad estructural (a través la longitud del estent), así como con las propiedades electromagnéticas del medio circundante (a través de la permitividad dieléctrica relativa y la permeabilidad magnética relativa del medio). También se estima teóricamente la frecuencia resonante que presentaría un estent implantado a partir de su correspondiente frecuencia resonante en espacio libre, mostrando que las resonancias in vivo serían alrededor de un orden de magnitud menores que las respectivas resonancias en espacio libre.
En los Capítulos 4 y 5 se explora las capacidades diagnósticas potenciales de la espectrometría de microondas en dos escenarios posibles: la fractura de estent y la neoaterosclerosis intra-estent. Ambos capítulos constan de una breve introducción médica, donde se repasa la incidencia, las implicaciones médicas y los mecanismos de estas dos complicaciones derivadas de la implantación del estent. En el Capítulo 4 se evalúa la fractura de estent mediante dos ``pruebas de fractura'' consistentes en una serie de cortes sucesivos en los puntales del estent. Se demuestra que la espectrometría de microondas proporciona indicadores cualitativos de fracturas en los puntales del estent (disminución de la frecuencia de resonancia fundamental), así como indicadores cuantitativos de fracturas lineales transversales completas del stent (división e incremento de la frecuencia de resonancia fundamental). En el Capítulo 5 se evalúa la neoaterosclerosis intra-estent mediante cuatro “pruebas de colesterol” consistentes en un proceso gradual de deposición de colesterol. Se demuestra que la espectrometría de microondas proporciona un indicador cualitativo para la creciente presencia de colesterol alrededor del estent (disminución gradual de la frecuencia de resonancia fundamental). El capítulo concluye con el cálculo teórico de la evolución de la frecuencia de resonancia fundamental a lo largo del proceso de deposición de colesterol, estimándose el límite superior para el desplazamiento de dicha frecuencia. De esta manera, los Capítulos 4 y 5 muestran el potencial de la espectrometría de microondas para la detección de fracturas de stent y neoaterosclerosis intra-estent.
En su conjunto, los resultados presentados en esta tesis evalúan las perspectivas de la espectrometría de microondas como alternativa de futuro a las actuales técnicas de seguimiento utilizadas en pacientes portadores de estents vasculares.
