Sistema miniaturizado para a deteção de hemozoína por reflectância ótica

Abstract

A malária é uma doença infeciosa que é transmitida para humanos através da picada de um mosquito, maioritariamente em regiões tropicais, e que ainda mata mais de 400 mil pessoas por ano. O diagnóstico da malária é tipicamente baseado em testes de diagnóstico rápido e em microscopia. No entanto, estes métodos implicam a necessidade de amostras de sangue do paciente e não permitem detetar baixa parasitémia, no caso de indivíduos assintomáticos. Deste modo, é necessário desenvolver novos métodos de diagnóstico precisos, portáteis, de baixo custo, independentes do utilizador, idealmente não invasivos e que permitam a deteção do parasita na fase inicial da doença. Assim, a presente dissertação integra um projeto de investigação que tem como principal objetivo desenvolver um método de deteção de malária através da identificação de hemozoína, de modo não invasivo, diretamente na pele do paciente, e baseado em reflectância ótica. Neste trabalho, propõe-se o desenvolvimento de um sistema ótico em placa de circuito impresso, composto por uma placa da emissão, com díodos emissores de luz atuados por Pulse Width Modulation, com espectro de emissão entre 400 e 800 nm, e um sistema de deteção, composto por fotodíodos e um amplificador lock-in. No trabalho é também apresentada a aquisição de sinal por parte de um microcontrolador para análise dos resultados, assim como uma proposta de encapsulamento para todo o sistema. O sistema desenvolvido foi testado em duas configurações espectrofotométricas, uma de absorbância ótica e outra de reflectância, reconstruindo o espectro ótico de amostras de hemozoína sintética, com base em 8 comprimentos de onda específicos (397, 419, 516, 585, 603, 649, 701 e 746 nm). Os resultados mostram que o sistema é capaz de emitir luz com boa intensidade, com um consumo de potência máximo estimado de 468 mW. Observou-se ainda que o sistema de absorbância ótica foi capaz de distinguir os espectros óticos de hemozoína sintética até uma concentração mínima de 1 μg/mL. O sistema de reflectância, apesar de apresentar limitações, também foi capaz de detetar variações na reflexão total da luz em função da concentração de hemozoína. Os resultados mostram que existe potencial para o uso da espectrofotometria, de absorbância e de reflectância, para a deteção de hemozoína e para a integração num dispositivo inovador e não invasivo para diagnóstico de malária.

Malaria is an infectious disease, transmitted to humans through the bite of a mosquito, mostly in tropical regions, and still kills more than 400.000 people every year. Malaria diagnosis is typically based on rapid diagnostic tests and microscopy. However, these methods require blood samples from the patient and cannot detect low parasitemia in asymptomatic individuals. Thus, it is necessary to develop new accurate, portable, low-cost, user-independent, ideally non-invasive diagnostic methods that allow the detection of the parasite at low parasitemia. Thus, this dissertation is part of a research project whose main goal is to develop a method for malaria detection through the identification of hemozoin, in a non-invasive way, directly on the patient's skin, and based on optical reflectance. In this work, it is proposed the development of an optical system in a printed circuit board, composed of an emission board, with light emitting diodes actuated by Pulse Width Modulation, with an emission spectrum between 400 and 800 nm, and a detection system, comprised by photodiodes and a lock-in amplifier. The work also presents the signal acquisition, by a microcontroller, to analyze the results, as well as a proposal of encapsulation for the whole system. The developed system was tested in two spectrophotometric configurations, one of optical absorbance and the other of reflectance, reconstructing the optical spectrum of synthetic hemozoin samples, based on 8 specific wavelengths (397, 419, 516, 585, 603, 649, 701 and 746 nm). The results show that the system can emit light with good intensity, with an estimated maximum power consumption of 468 mW. It was also observed that the optical absorbance system was able to distinguish the optical spectra of synthetic hemozoin up to a minimum concentration of 1 μg/mL. The reflectance system, despite presenting limitations, also allowed to detect variations of the total light reflection for different hemozoin concentrations. The obtained results show that there is potential for the use of both absorbance and reflectance spectrophotometry for the detection of hemozoin and integration into an innovative, non-invasive device for malaria diagnosis.