DETECÇÃO DE LESÕES DE CÁRIE POR BIOIMPEDÂNCIA ELÉTRICA Andréa Pereira de Morais Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Biomédica, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Doutor em Engenharia Biomédica. Orientadores: Marcio Nogueira de Souza Alexandre Visintainer Pino Rio de Janeiro Dezembro de 2011 DETECÇÃO DE LESÕES DE CÁRIE POR BIOIMPEDÂNCIA ELÉTRICA Andréa Pereira de Morais TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA BIOMÉDICA. Examinada por: ________________________________________________ Prof. Marcio Nogueira de Souza, D.Sc. ________________________________________________ Prof. Alexandre Visintainer Pino, D.Sc. ________________________________________________ Prof. Frederico Caetano Jandre de Assis Tavares, D.Sc. ________________________________________________ Profa. Lucianne Cople Maia de Faria, D.Sc. ________________________________________________ Profa. Sandra Kalil Bussadori, D.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL DEZEMBRO DE 2011 iii Morais, Andréa Pereira de Detecção de lesões de cárie por bioimpedância elétrica /Andréa Pereira de Morais. - Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2011. XVII, 119 p.: il.; 29,7 cm. Orientadores: Marcio Nogueira de Souza Alexandre Visintainer Pino Tese (doutorado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Biomédica, 2011. Referências Bibiográficas: p.96-111. 1. Cárie. 2. Cárie oclusal. 3. Bioimpedância. I. Souza, Marcio Nogueira et al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Biomédica. III. Título. iv AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus pela vida. Agradeço à minha família, meu pai Ismael, minha mãe Fernanda e minha irmã Celina, que durante todo o meu percurso acadêmico me apoiou e ensinou que o estudo é imprescindível. Agradeço ao meu marido Túlio pela paciência e compreensão nos momentos de ausência. Agradeço aos meus orientadores Marcio Nogueira de Souza e Alexandre Visintainer Pino pelo entusiasmo de guiar uma dentista pelos caminhos da Engenharia Biomédica. Agradeço a todos os Professores que compartilharam seu conhecimento e contribuíram direta ou indiretamente para esta tese. A paciência e a vocação para o ensino sempre estiveram presentes. Agradeço aos professores Frederico Caetano Jandre de Assis Tavares, à professora Lucianne Cople Maia de Faria e à professora Sandra Kalil Bussadori, a disponibilidade para a avaliação desta tese contribuindo de maneira valiosa para finalização da mesma. Agradeço aos funcionários do Programa de Engenharia Biomédica pela dedicação e a disponibilidade no desempenho da suas funções. Finalmente agradeço aos amigos do Programa de Engenharia Biomédica que tanto colaboraram com sugestões, ideias, equações, soldas, ouvidos......... Obrigada a todos. v Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.) DETECÇÃO DE LESÕES DE CÁRIE POR BIOIMPEDÂNCIA ELÉTRICA Andréa Pereira de Morais Dezembro/2011 Orientadores: Marcio Nogueira de Souza. Alexandre Visintainer Pino Programa: Engenharia Biomédica Este trabalho investigou a aplicação de um método alternativo de espectroscopia de bioimpedância baseado na resposta de corrente ao degrau de tensão (BIS-VI) na detecção de alterações de esmalte e lesões de cárie oclusal de difícil diagnóstico. Estudos iniciais definiram o protocolo de aquisição de dados e investigaram o potencial do método empregando um modelo elétrico baseado em elementos resistivos e capacitivos para interpretar os dados experimentais. Os resultados destes estudos mostraram decréscimo dos parâmetros R (p ≤ 0,05) e R (p ≤ 0,05), e aumento do 1 2 parâmetro Cm (p ≤ 0,05) quando se promoveu uma diminuição mecânica da espessura do esmalte, assim como na presença de cáries. Em outro estudo utilizou-se um modelo com um elemento de fase constante (CPE), onde 4 parâmetros (R , R , C e α) foram S P 0 estimados a partir de 135 sinais coletados num estudo in vitro em 58 dentes posteriores hígidos (H), com cárie em esmalte (CE) ou cáries ocultas em dentina (CD). Neste estudo foram realizadas medições em todos os pontos suspeitos de cárie e esses resultados foram comparados a avaliações de 6 especialistas. Foi possível encontrar diferença estatística entre os grupos H e CE para os parâmetros R (p=0,016) e entre os S grupos H e CD para os parâmetros R (p=0,006), R (p=0,022) e α (p=0,041). A S P utilização de curvas ROC (Receiver Operating Characteristic) mostrou que os parâmetros R , R e α apresentam potencialidade para a detecção de lesões dentárias. S P Adicionalmente, a detecção de lesões por bioimpedância se mostrou superior àquela realizada pelos especialistas. vi Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.) DETECTION OF CARIES LESIONS BY ELECTRICAL BIOIMPEDANCE Andréa Pereira de Morais December/2011 Advisors: Marcio Nogueira de Souza Alexandre Visintainer Pino Department: Biomedical Engineering This work investigated the application of an alternative method of bioelectric impedance spectroscopy based on the current response to a voltage step (BIS-VI) in the detention of changes in enamel and occlusal caries of difficult diagnosis. Initial studies defined the data acquisition protocol and had investigated the potentiality of the method using an electric model based in resistive and capacitive elements to interpret the experimental data. The results of this study had shown decrease of the parameters R (p 1 ≤ 0,05) and R (p ≤ 0,05), and increase of parameter Cm (p ≤ 0,05) when one promoted 2 a mechanical reduction of the enamel thickness, as well as in the presence of caries. In another study a model with an constant phase element of (CPE) were used, and 4 parameters (R , R , C and α) had been estimated from 135 signals collected in an in S P 0 vitro study with 58 posterior healthy teeth (H), with caries in enamel (CE) or occult caries in dentine (CD). In this study the caries points had been carried through measurements in all suspicious and these results had been compared with the evaluations of 6 specialists. It was possible to find statistical differences between groups H and CE for parameter R (p=0,016) and between the groups H and CD for the S parameters R (p=0,006), R (p=0,022), and α (p=0,041). The use of ROC curves S P (Receiver Operating Characteristic) showed that parameters R , R and α present S P potentiality for the detention of dental injuries. Additionally, the detention of injuries by bioelectric impedance was superior to the one carried through by the specialists. vii SUMÁRIO 1. Introdução .................................................................................................................... 1 1.1. Objetivos ............................................................................................................... 2 1.1.1. Objetivos Específicos .................................................................................. 2 2. Fundamentos odontológicos ........................................................................................ 4 2.1. Estrutura dental ..................................................................................................... 5 2.1.1. Esmalte dental ............................................................................................. 5 2.1.2. Dentina ...................................................................................................... 10 2.1.3. Polpa .......................................................................................................... 10 2.1.4. Cemento .................................................................................................... 11 2.2. Cárie dental ......................................................................................................... 11 2.2.1. Microbiota da cárie dental ......................................................................... 12 2.2.2. Diagnóstico da cárie dental oclusal ........................................................... 13 2.2.3. Classificação das lesões de cárie ............................................................... 17 3. Bioimpedância elétrica .............................................................................................. 19 3.1. Propriedades elétricas dos tecidos biológicos ..................................................... 20 3.1.1. Teoria eletrolítica ...................................................................................... 21 3.1.2. Relaxação e dispersão dielétrica de tecidos biológicos ............................. 22 3.2. Modelo de circuito elétrico equivalente.............................................................. 25 3.2.1. Tipos de modelos elétricos ........................................................................ 25 3.2.2. Circuitos R-C ............................................................................................. 26 3.2.3. Elemento de fase constante (CPE) ............................................................ 27 3.2.4. Modelo de circuitos RC com três elementos incluindo o CPE ................. 29 4. Bioimpedância na odontologia .................................................................................. 31 4.1. Bioimpedância no diagnóstico da cárie .............................................................. 32 viii 4.1.1. Fatores que influenciam nas medições de bioimpedância ........................ 41 4.1.2. Modelos elétricos do dente e de seus constituintes ................................... 43 4.2. Espectroscopia de bioimpedância no diagnóstico da cárie ................................. 50 5. Materiais e métodos ................................................................................................... 53 5.1. Estudos iniciais ................................................................................................... 53 5.1.1. Trabalhos relacionados à avaliação do arranjo experimental .................... 58 5.1.2. Trabalhos relacionados às melhorias do arranjo e do protocolo experimentais .................................................................................................................. 59 5.1.3. Trabalho relacionado com remoção de camada de esmalte ...................... 60 5.2. Estudo final ......................................................................................................... 61 5.2.1. Preparação das amostras ............................................................................ 61 5.2.2. Diagnóstico visual e radiográfico .............................................................. 61 5.2.3. Localizações das medidas de bioimpedância ............................................ 62 5.2.4. Mudança da instrumentação de aquisição de dados e modelo com CPE .. 63 5.2.5. Avaliação Histológica ............................................................................... 65 5.2.6. Análise estatística e edição ........................................................................ 65 6. Resultados .................................................................................................................. 66 6.1. Estudos iniciais ................................................................................................... 66 6.1.1. Trabalhos relacionados à avaliação do arranjo experimental .................... 66 6.1.2. Trabalhos relacionados às melhorias do arranjo e do protocolo experimentais .................................................................................................................. 66 6.1.3. Trabalho relacionado com remoção de camada de esmalte ...................... 67 6.2. Estudo final ......................................................................................................... 68 6.2.1. Superfícies lisas ......................................................................................... 68 6.2.2. Superfícies oclusais ................................................................................... 71 6.2.2.1. Diagnóstico por bioimpedância ............................................................ 71 ix 6.2.2.2. Diagnóstico visual e radiográfico ......................................................... 81 7. Discussão ................................................................................................................... 87 7.1. Protocolo experimental ....................................................................................... 87 7.2. Estudos iniciais ................................................................................................... 88 7.3. Estudo final ......................................................................................................... 90 7.3.1. Superfícies lisas ......................................................................................... 90 7.3.2. Superfícies oclusais ................................................................................... 91 8. Conclusão ................................................................................................................... 98 9. Referências bibliográficas ........................................................................................ 100 x LISTA DE FIGURAS Figura 1: Desenho esquemático de um molar permanente. Extraído de CHANG & SU (2008) (com permissão). ........................................................................................ 5 Figura 2: Foto parcial da arcada superior de um adulto apontando as diferentes faces dos dentes. ............................................................................................................... 5 Figura 3: Foto de corte longitudinal do esmalte humano (microscopia eletrônica de varredura, aumento de 330x) evidenciando o aspecto filamentoso dos prismas de esmalte. ............................................................................................................................. 6 Figura 4: Desenho ilustrando a aparência de um corte transversal de esmalte humano (lado direito) representando o conceito de esmalte prismático/interprismático. Fica evidenciada a ideia de fechadura onde a “cabeça” é o esmalte prismático e a cervical é a “cauda” .......................................................................................................... 7 Figura 5: Foto corte transversal de esmalte dental humano (microscopia de luz polarizada, aumento de 50x) evidenciando as bandas de Hunter- Schreger (seta simples) e as estrias de Retzius (seta dupla). .................................................................................. 8 Figura 6: Orientação dos cristais de hidroxiapatita nas camadas aprismática (A) e prismática (P) do esmalte dental. A região que delimita dois prismas–esmalte interprismático está marcada com setas............................................................................ 9 Figura 7: Foto corte transversal de esmalte dental humano (microscopia de luz polarizada, aumento de 50x) evidenciando: esmalte (a); dentina (b); junção amelo- dentinária (seta branca tripla); lamela (seta branca dupla); tufo (seta branca simples); fuso (seta preta). ............................................................................................................... 9 Figura 8: Representação da categorização da lesão cariosa segundo PITTS (1997) – “iceberg” da cárie. ............................................................................................ 17 Figura 9: Íon de sódio (Na+) hidratado por moléculas de água formando a camada de hidratação ao seu redor. ................................................................................ 21 Figura 10: O caminho da corrente de acordo com a frequência do sinal. Em baixas frequências o caminho preferencial é o líquido intercelular e em altas frequências esse caminho atravessa as células dos tecidos. ............................................................... 23