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DESENVOLVIMENTO DE PROTOCOLO PARA AVALIAR OS PADRÕES DE
AQUECIMENTO GERADOS POR DIFERENTES MANOBRAS TERAPÊUTICAS
EM ULTRASSOM DE FISIOTERAPIA
Jaqueline Nunes Burigo de Sá
Dissertação de Mestrado 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 Mestre em
Engenharia Biomédica.
Orientadores: Wagner Coelho de Albuquerque Pereira
Marco Antônio von Krüger
Rio de Janeiro
Abril de 2009
COPPE/UFRJCOPPE/UFRJ
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DESENVOLVIMENTO DE PROTOCOLO PARA AVALIAR OS PADRÕES DE
AQUECIMENTO GERADOS POR DIFERENTES MANOBRAS TERAPÊUTICAS
EM ULTRASSOM DE FISIOTERAPIA
Jaqueline Nunes Burigo de Sá
DISSERTAÇÃO 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 MESTRE
EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA BIOMÉDICA.
Aprovada por:
________________________________________________
Prof. Wagner Coelho de Albuquerque Pereira, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Marco Antônio von Krüger, Ph.D
________________________________________________
Prof. Roberto Macoto Ichinose, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Eduardo Tavares Costa, Ph.D.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
ABRIL DE 2009
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iii
Burigo de Sá, Jaqueline Nunes
Desenvolvimento de Protocolo para Avaliar os
Padrões de Aquecimento Gerados por Diferentes
Manobras Terapêuticas em Ultrassom de Fisioterapia/
Jaqueline Nunes Burigo de Sá – Rio de Janeiro:
UFRJ/COPPE, 2009.
XIII, 54 p.: il.; 29,7 cm.
Orientadores: Wagner Coelho de Albuquerque Pereira
Marco Antônio von Krüger
Dissertação – UFRJ/ COPPE/ Programa de
Engenharia Biomédica, 2009.
Referências Bibliográficas: p. 49-51.
1. Phantom Ultrassônico. 2. Ultrassom terapêutico. 3.
Padrões de Aquecimento. I. Pereira, Wagner Coelho de
Albuquerque e Marco Antônio von Krüger. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE,
Programa de Engenharia Biomédica. III. Título.
iv
Agradecimentos
A Deus pela minha vida e por seu imenso amor.
Aos meus pais José e Elizabeth por me guiarem todos estes anos. Por estarem sempre
presentes, respeitando todas as minhas decisões e participando ativamente da minha
vida em todos os momentos, fazendo de minhas alegrias e vitórias as deles próprios. Por
nunca permitirem que a desistência fosse o motivo do fracasso, e por me fazerem
acreditar que com humildade e verdade se vai ao longe.
Ao meu marido Leonardo, amor da minha vida, por deixar transparecer sempre seu
orgulho com as minhas conquistas. Por ser o grande incentivador da minha carreira, ser
meu exemplo de batalhador e por enxugar minhas lágrimas nas horas difíceis.
À minha filha Luísa, que está prestes a chegar para mudar minha vida, por ser a pessoa
mais próxima de mim nestes momentos finais.
Aos meus irmãos Márcio e Daniel por demonstrarem seu amor e carinho cada um a seu
modo, deixando sempre a certeza que não estou sozinha nesta vida.
Ao meu enteado Rafael que soube dividir o computador comigo nos finais semana.
A todos da minha família, que torcem por mim sempre, estando longe ou perto.
À minha amiga Aída por suas orações.
Aos meus orientadores Wagner e Markão, por serem excelentes “ouvidos”, sabendo
transformar as dificuldades em algo divertido, aliviando assim o peso da jornada. Por
terem me aceitado e me apoiado durante estes anos, apesar dos inúmeros problemas. Ao
Wagner por sempre encontrar o ponto de equilíbrio entre o professor e o amigo, por
acreditar que todas as idéias têm um lado bom e que tudo pode ser feito desde que haja
boa vontade. E ao Markão por ser a boa vontade em pessoa e tornar tudo possível.
Aos amigos do LUS: Isabela, Viviane, Priscila, Rejane, Kelly, Lorena, Rodrigo, Daniel,
Vinícius, Felipe, Júlio, Christiano, Marcelo, Abílio, por sermos mais do que colegas,
por sermos companheiros, um verdadeiro time. Agradeço a Deus por todos os
momentos que passamos juntos desde o início deste Mestrado, os momentos de
v
desespero e os de descontração. Que o sucesso seja apenas mais um resultado dos
muitos que já alcançamos, pois o que vale mesmo não é o destino, mas sim a estrada.
Aos amigos Thais e Maggi, que participaram de perto de todas as dificuldades deste
projeto, partilhando de minhas angústias e acertos. Por dedicarem seu tempo e seus
neurônios à nossa amizade.
Às instituições CAPES e CNPq pelo apoio financeiro sem o qual nada teria sido
possível.
Ao meu cãozinho Chico, pelas longas horas deitado aos meus pés me fazendo
companhia.
vi
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
DESENVOLVIMENTO DE PROTOCOLO PARA AVALIAR OS PADRÕES DE
AQUECIMENTO GERADOS POR DIFERENTES MANOBRAS TERAPÊUTICAS
EM ULTRASSOM DE FISIOTERAPIA
Jaqueline Nunes Burigo de Sá
Abril/2009
Orientadores: Wagner Coelho de Albuquerque Pereira
Marco Antônio von Krüger
Programa: Engenharia Biomédica
Este trabalho descreve o desenvolvimento e operação de um phantom para
avaliar os padrões de aquecimento gerados por diferentes manobras terapêuticas em
ultrassom aplicado a Fisioterapia. Foi utilizado um tubo de alumínio preenchido por
material mimetizador de propriedades térmicas e acústicas de tecidos moles. Sete
termopares foram dispostos ao longo do diâmetro do tubo a 2 cm de profundidade e o
phantom foi submetido à aplicação de ultrassom fisioterapêutico com um transdutor de
1 MHz, em três protocolos: aplicação estática (com variação de tempo e intensidade),
varredura longitudinal a 2 W/cm
2
(com variação de velocidade), varredura circular a
2 W/cm
2
(com variação de área e de velocidade). A variação da temperatura no tempo e
no espaço foi registrada e comparada com padrões considerados ideais em fisioterapia.
Três resultados foram obtidos: variação de temperatura insuficiente (subterapêutica),
ideal (terapêutica) e hiperaquecimento. Após análise dos resultados, observou-se que a
varredura com movimento circular em uma área 3,77 vezes o tamanho da ERA estimada
do transdutor foi a que apresentou variação de temperatura mais próxima do desejável.
Os resultados concordam com a literatura no que diz respeito ao aquecimento por US de
tecidos biológicos ser altamente dependente dos parâmetros em jogo e das
particularidades para cada caso. Considerando que há uma grande variedade de
protocolos em uso pelos fisioterapeutas, é possível que muitos deles não alcancem a
temperatura em nível terapêutico para produzir os efeitos de tratamento.
vii
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
DEVELOPMENT OF A PROTOCOL TO EVALUATE HEATING PATTERNS
GENERATED BY DIFFERENT THERAPEUTIC ULTRASOUND APPLICATION
PROCEDURES
Jaqueline Nunes Burigo de Sá
April/2009
Advisors: Wagner Coelho de Albuquerque Pereira
Marco Antônio von Krüger
Department: Biomedical Engineering
This work describes the development and operation of a phantom designed to
evaluate the thermal field generated by different physiotherapeutic ultrasound
application procedures. It consists of an aluminum tube filled with tissue mimicking
material both for acoustic and thermal properties of tissues. Seven thermocouples were
distributed along the phantom diameter at a 2 cm depth. The phantom irradiation was
performed with a 1-MHz transducer according with three protocols: static application
(with variation in time and intensity), longitudinal application (with speed variation)
and circular application (with area and speed variation). Temperature as a function of
time and space was evaluated and compared to recommended temperature levels for
physiotherapy. Three temperature conditions were achieved: below therapeutic level,
therapeutic level and overheating. The results show that temperature increase achieved
with the transducer moving in circles over an area representing 3.77 times the
transducer ERA was in the range of the recommended temperature. The results agree
with literature regarding the dependence of the heating patterns of biologic tissues on
many parameters and specific situations. Considering that there is a wide variety of
protocols in use by physical therapists, it is highly possible that several of them are
failing in reaching the necessary heating to produce the aimed treatment.
viii
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO .............................................................................. 01
1.1 Objetivos..................... ......................................................................................... 02
1.1.1 Objetivo Geral .................................................................................................. 02
1.1.2 Objetivos Específicos ....................................................................................... 03
CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTOS TEÓRICOS ..................................................... 04
2.1 Efeitos Terapêuticos do Calor ............................................................................. 05
2.1.1 Vasodilatação.................................................................................................... 05
2.1.2 Mudanças na velocidade de condução nervosa na “taxa de disparo muscular”05
2.1.3 Aumento do limiar da dor ................................................................................. 06
2.1.4 Mudanças na força muscular ............................................................................ 06
2.1.5 Aumento da taxa metabólica ............................................................................ 06
2.1.6 Aumento na extensibilidade do colágeno ......................................................... 07
2.2 Métodos Utilizados para Determinação da Dose ................................................ 07
2.3 Protocolos de Aplicação ...................................................................................... 11
CAPÍTULO 3 - MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................... 14
3.1 Phantom Elaborado ............................................................................................. 14
3.1.1 Material mimetizador de propriedades acústicas e térmicas ............................ 14
3.1.2 Termopares e estrutura de suporte .................................................................... 18
3.1.3 Montagem final ................................................................................................ 23
ix
3.2 Arranjo Experimental .......................................................................................... 23
3.2.1Equipamentos .................................................................................................... 23
3.2.2 Montagem e coleta de sinais ......................................................................... 25
3.3 Protocolos de Aplicação do Ultrassom ................................................................ 26
3.4 Análise dos Resultados ........................................................................................ 34
CAPÍTULO 4 - RESULTADOS .............................................................................. 36
4.1 Aplicação Estática ............................................................................................... 36
4.2 Varredura com Movimento Longitudinal ............................................................ 37
4.3 Varredura com Movimento Circular usando Máscara Pequena .......................... 38
4.4 Varredura com Movimento Circular usando Máscara Grande ........................... 41
CAPÍTULO 5 - DISCUSSÃO...... ............................................................................. 43
CAPÍTULO 6 - CONCLUSÃO ................................................................................. 48
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 48
ANEXO I – Curvas de Calibração dos Termopares.......................... ........................ 51
x
Lista de Figuras
Figura 3.1.1.1 - Material mimetizador de tecidos em processo de mistura no agitador..15
Figura 3.1.1.2 - Material mimetizador de tecidos em processo de retirada de bolhas de ar
na bomba a vácuo............................................................................................................15
Figura 3.1.1.3 - Material mimetizador em processo de aquecimento..............................16
Figura 3.1.2.1 - Dimensões do tubo.................................................................................19
Figura 3.1.2.2 - Esquema de distribuição dos termopares...............................................19
Figura 3.1.2.3 - Tubo (vista superior)..............................................................................20
Figura 3.1.2.4 - Tubo (vista lateral).................................................................................20
Figura 3.1.2.5 - Curva de calibração dos termopares......................................................22
Figura 3.2.1.1 - Painel frontal do equipamento de Ultrassom Ibramed Sonopulse.........24
Figura 3.2.1.2 - Dispositivo para aquisição de sinais Spider 8 ( painel frontal)..............24
Figura 3.2.1.3 - Dispositivo para aquisição de sinais Spider 8 (vista posterior).............25
Figura 3.2.2.1 - Diagrama de blocos do sistema experimental........................................26
Figura 3.3.1 – Máscaras...................................................................................................27
Figura 3.3.2 - Posicionamento da máscara......................................................................28
Figura 3.3.3 - Esquema do transdutor.............................................................................28
Figura 3.3.4 - Esquema demonstrando a varredura longitudinal....................................30
Figura 3.3.5 - Esquema demonstrando a varredura circular com máscara pequena........31
Figura 3.3.6 - Esquema demonstrando a varredura circular com máscara grande..........32
Figura 3.3.7 -
Chave utilizada para a máscara longitudinal/ Dispositivo conectado ......33
Figura 3.3.8 - Chaves utilizadas nas máscaras circulares................................................34
Figura 3.3.9 – Metrônomo...............................................................................................34
Figura 3.4.1 - Gráficos das três curvas do protocolo de aplicação e da média traçada..35
Figura 4.3.1 - Gráficos das curvas registradas por cada um dos termopares..................39
xi
Figura 4.3.2 - Gráficos mostrando as médias das curvas para as variações de
temperatura
nos termopares.............................................................................................40
xii
Lista de Tabelas
Tabela 2.2.1: Coeficientes de absorção para tecidos biológicos para duas
frequências.......................................................................................................................10
Tabela 3.1.1.1: Ingredientes utilizados na composição do material
mimetizador.....................................................................................................................14
Tabela 3.1.1.2: Proporções dos ingredientes utilizados para preparar o material
mimetizador.....................................................................................................................16
Tabela 3.1.1.3: Propriedades acústicas e térmicas do material mimetizador comparadas
às dos tecidos humanos...................................................................................................17
Tabela 3.1.2.1: Temperatura em graus Celsius registradas pelo termopar de referência e
pelos utilizados no estudo................................................................................................21
Tabela 3.3.1:
Áreas correspondentes às máscaras..........................................................29
Tabela 4.1.1: Aplicação Estática (5 minutos) - Média das variações máximas de
temperatura em cada termopar, nas intensidades de 0,5 a 2 W/cm
2.
...............................36
Tabela 4.1.2: Aplicação Estática (10 minutos) - Média das variações máximas de
temperatura em cada termopar, nas intensidades de 0,5 a 2 W/cm
2
................................37
Tabela 4.2.1: Varredura com Movimento Longitudinal (10 minutos) - Médias das
variações máximas de temperatura em cada termopar, na intensidade de 2 W/cm
2
nas
velocidades de 2, 4 e 6 cm/s............................................................................................38
Tabela 4.3.1: Varredura com Movimento Circular usando Máscara Pequena (10
minutos) - Médias das variações máximas de temperatura em cada termopar na
intensidade de 2 W/cm
2
nas velocidades de 2, 4 e 6 cm/s...............................................41
xiii
Tabela 4.4.1: Varredura com Movimento Circular Máscara Grande (10 minutos)
Médias das Variações máximas de temperatura em cada termopar na intensidade de
2 W/cm
2
nas velocidades de 2, 4 e 6 cm/s.......................................................................42
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
As técnicas de ultrassom (US) em Medicina são conhecidas principalmente por
suas aplicações em imagem, porém desde 1927 sabe-se que o US é capaz de produzir
efeitos (reversíveis ou não) nos sistemas biológicos. Este foi, portanto, o ponto de
partida tanto para os estudos sobre segurança como sobre terapia por ultrassom (WOOD
& LOOMIS, 1927, apud ter HAAR, 2007).
Há décadas o ultrassom terapêutico vem sendo utilizado pelos fisioterapeutas
como recurso adicional ao tratamento de pacientes com diferentes patologias
(ROBERTSON, 2002).
O equipamento utilizado para este fim oferece um feixe sem foco, porém com
energia suficiente para gerar efeitos biofísicos nos tecidos. A energia é entregue de
modo contínuo ou pulsado por um transdutor circular que varia de 2 a 4,5 cm
2
de área
de face (ZISKIN & LEWIN, 1993), em uma freqüência entre 0,7 e 3,3 MHz, de forma a
maximizar a absorção de energia à profundidade de 2 a 5 cm de tecido mole
(LEHMANN, 1953, CAMERON, 1999). Quanto menor a frequência mais profunda
será a penetração do feixe, uma vez que a atenuação diminui (KOLLMANN, et al. ,
2005). Vários estudos sobre US indicam uma variedade de efeitos físicos que podem ser
classificados em térmicos e atérmicos. Sua habilidade em aumentar a temperatura dos
tecidos corresponde aos efeitos térmicos e sua capacidade em formar micro-correntes e
cavitação, o que altera a permeabilidade de membrana, são os efeitos não térmicos
(LEHMANN, 1953, CAMERON, 1999).
As mudanças de temperatura mais pronunciadas são observadas nas interfaces
entre tecidos de diferentes impedâncias acústicas (LEHMANN, 1953). Segundo a
literatura, para obter efeitos térmicos, o tecido deve ser aquecido a uma temperatura
entre 40° e 45º C por 5 a 10 minutos (CAMERON, 2004, LEHMANN, 1967, FUIRINI
& LONGO, 2002). Temperaturas abaixo de 40° C não resultarão em efeitos térmicos
(apenas atérmicos) e acima de 45° C geram proteinólise e destruição tecidual (FUIRINI
& LONGO, 2002) podendo ser usado nestes casos para destruição de células tumorais,
por exemplo (ter HAAR, 2007).
Por estar acoplado diretamente sobre a pele por meio de um gel à base de água,
o transdutor expõe os tecidos a um campo acústico irregular (Zona de Fresnel), podendo
gerar pontos de aquecimento chamados “hot spots”. Para evitar aquecimento exagerado
2
em determinadas áreas do tecido causando possível dano celular especifica-se que o
transdutor deva gerar um campo acústico onde a taxa de variação entre os picos de
intensidade e a intensidade média deva ser de no máximo 6:1. Esta taxa é chamada Taxa
de Não-Uniformidade do Feixe e é uma característica construtiva do transdutor
(WATSON, 2004, KITCHEN, 2003).
Por este motivo, os fisioterapeutas são orientados a realizar a movimentação do
transdutor para obter melhor distribuição da energia, prevenir os “hot spots” e as ondas
estacionárias (DEMMINK & HELDERS, 2003).
Apesar de ser utilizado com frequência, o ultrassom ainda não teve seus
protocolos de aplicação terapêutica cientificamente validados. Em revisão realizada por
SÁ et al, (2006), os autores relatam escassas evidências científicas dos efeitos do
ultrassom sobre os tecidos biológicos e relacionam este fato a inúmeras falhas
metodológicas, incluindo falta de informações sobre a calibração dos aparelhos,
tamanho da ERA (Estimated Radiating Area), gravidade da doença, critérios de
elegibilidade dos pacientes e grupo controle. BLUME et a.l (2005), após extensa
revisão bibliográfica concluem que não existem parâmetros estabelecidos de
dosimetrias nas terapias com US e que seus efeitos vêm sendo descritos de forma
empírica. Várias revisões e meta-análises também relatam existir uma lacuna entre o
uso do ultrassom e as evidências científicas que confirmem seus efeitos (WARDEN &
MCMEEKEN, 2002). Pelo anteriormente exposto fica evidente a necessidade de se
desenvolver métodos controlados (experimentais) para estudar o aquecimento de tecidos
por US. O presente trabalho espera contribuir neste sentido.
1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo Geral
Desenvolver uma técnica que permita a avaliação do campo térmico gerado por
transdutores ultrassônicos de Fisioterapia em função de seu posicionamento,
movimentação e tempo de aplicação, em procedimentos fisioterapêuticos de rotina.
3
1.1.2 Objetivos Específicos
Avaliar, em relação aos valores esperados de temperatura para produção de
efeitos terapêuticos, o campo térmico gerado:
- por diferentes padrões espaciais de movimentação do transdutor ultrassônico;
- por diferentes velocidades de movimentação do transdutor ultrassônico.
Por meio da análise das curvas de variação de temperatura, este trabalho
pretende estudar os padrões de aquecimento gerados pelo US em diversos protocolos,
procurando estabelecer qual a variação de temperatura máxima em cada protocolo,
assim como o tempo de manutenção do aquecimento do phantom acima do limite
estabelecido como ideal, para se obter os efeitos do aquecimento.
4
CAPÍTULO 2
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
No início das investigações nesta área, os pesquisadores acreditavam que, apesar
de haver efeitos mecânicos como a cavitação, os efeitos biológicos advinham
principalmente do aquecimento. LEHMANN, 1953, afirmou que os efeitos biológicos
podem ser prevenidos resfriando os tecidos 3 a 4 ºC mesmo quando a intensidade e o
tempo são maiores, em pesquisa verificando lesões em cauda de ratos após aplicação de
US por 30 min. Quanto menor a duração do pulso em relação à pausa (duty cicle),
menor é o aumento da temperatura, portanto para obter efeitos térmicos geralmente
opta-se pelo modo de aplicação contínua.
Apesar de saber-se hoje que boa parte dos efeitos biológicos deve-se aos
mecanismos não térmicos, o aquecimento gerado por campo ultrassônico permanece
como uma das aplicações terapêuticas importantes e é o assunto de maior interesse para
o presente estudo.
É sabido que o ultrassom produz um efeito de aquecimento seletivo nas
interfaces com o osso e com a pele. HUNTER, apud LEHMANN, 1953, mediu a
temperatura do periósteo e encontrou um aumento de 3,1 ± 0,1 °C em relação ao tecido
conectivo localizado ao redor do osso. Isto acontece devido à reflexão do feixe causada
pela diferença de impedância acústica entre os meios que formam a interface.
KOLLMANN et al. (2005) compararam quatro equipamentos de diferentes
fabricantes, investigando 41 modos operacionais (contínuo e pulsado) e intensidades
diferentes usados terapeuticamente. Com uma câmera termográfica de infravermelho
captaram o padrão térmico emitido pela superfície metálica do transdutor durante 5
minutos de funcionamento em contato com o ar. Observaram que a superfície do
transdutor pode aquecer até 82 °C nestas condições, sendo que o recomendado é que
chegue a no máximo 50 ºC. Os autores relacionam esse problema a um defeito no
dispositivo de segurança do equipamento ou à presença de uma camada de gel
ressecado que pode ter se formado sobre a superfície do transdutor após várias
aplicações sem que fosse feita uma limpeza adequada.
5
2.1 Efeitos terapêuticos do calor
O calor tem seus efeitos terapêuticos bem conhecidos, a seguir serão listados os
principais:
2.1.1. Vasodilatação
A dilatação dos vasos periféricos é um efeito desejado, em determinadas
situações, por aumentar o aporte sangüíneo e a nutrição para os tecidos periféricos
(DOWNEY et al., 1968).
Um indivíduo em repouso em um ambiente com temperatura entre 26 e 30°C
apresenta flutuações no fluxo sangüíneo periférico para controlar a perda e conservação
do calor corporal pela superfície. Quando o ambiente passa para 32 a 34 °C os vasos da
pele se dilatam completamente para obter maior dissipação do calor. Caso isto não seja
suficiente, o indivíduo passa a produzir suor (DOWNEY et al., 1968).
O aquecimento superficial gera dilatação dos vasos no local aplicado e, através
da ativação do sistema simpático, dos vasos localizados nas extremidades (CAMERON,
1999). A resposta ao aquecimento ou resfriamento local também depende da
temperatura central do indivíduo. Se o paciente está numa baixa temperatura, o
aquecimento local de uma extremidade terá uma resposta menor do que quando o
paciente está normalmente aquecido (DOWNEY et al., 1968). Outro fator importante a
ser observado é a insuficiência vascular, que impede as respostas adequadas ao
aquecimento, podendo gerar lesão tecidual (DOWNEY et al., 1968). Os autores ainda
relatam que aparentemente não existe uma correlação entre o aumento da temperatura
muscular profunda e o fluxo sangüíneo, como acontece na pele.
2.1.2. Mudanças na velocidade de condução nervosa e na “taxa de disparo
muscular”
A velocidade de condução nervosa aumenta 2 m/s para cada 1 ºC de aumento de
temperatura. Entretanto as implicações clínicas deste efeito ainda não são bem
entendidas, isto poderia contribuir para diminuir a percepção da dor ou esta seria
resultado do aumento da circulação provocado pelo aquecimento. Também se observa
6
alteração na taxa de disparo nervoso com o aumento da temperatura (CAMERON,
1999).
Tem-se demonstrado que a elevação da temperatura muscular a 42 ºC gera
diminuição da taxa de disparo das fibras musculares intrafusais do tipo II e gama
eferentes e também um aumento na taxa de disparo das fibras tipo Ib do Órgão
Neurotendinoso de Golgi. Estas alterações poderiam contribuir para a redução da taxa
de disparo do motoneurônio alpha reduzindo assim o espasmo muscular (CAMERON,
1999).
2.1.3. Aumento do limiar de dor
Vários estudos mostram que a aplicação local de calor pode aumentar o limiar de
dor. O aquecimento provoca a ativação dos termorreceptores, que apresentam um efeito
“comporta” imediato na transmissão da sensação dolorosa via medula espinhal
(CAMERON, 1999).
2.1.4. Mudanças na força muscular
A força muscular diminui durante os 30 minutos iniciais após aplicação de calor
superficial ou profundo. Porém retorna ao estado inicial 2 h depois. Isto se deve às
alterações na velocidade de condução nervosa (CAMERON, 1999).
2.1.5. Aumento da taxa metabólica
Atividade enzimática aumenta entre 39 e 43 ºC, com a reação aumentando 13%
para cada grau (KITCHEN, 2003;
CAMERON, 1999). A atividade enzimática e a taxa
metabólica continuam aumentando até 45 ºC, quando as enzimas começam a se
desnaturar.
O aumento da atividade enzimática vai aumentar as reações bioquímicas
intracelulares, isto pode acelerar o processo de cicatrização, mas também aumenta a
ação das colagenases na destruição da cartilagem articular em pacientes com processos
inflamatórios como Artrite Reumatóide (AR). O aquecimento a 41 ºC libera duas vezes
mais oxigênio do que na temperatura de 36 ºC, facilitando a cicatrização (CAMERON,
1999).
7
2.1.6. Aumento na extensibilidade do colágeno
O máximo aumento da extensibilidade é obtido quando o tecido é mantido entre
40 ºC e 45 ºC, por 5 a 10 minutos (CAMERON, 2004, SPEED, 2001).
Clinicamente, um aumento de 3 a 4 °C mantido por 5 minutos é suficiente para
aumentar a extensibilidade do colágeno (ROBERTSON, 2005). Durante 10 minutos
após o aquecimento, ainda é possível obter este efeito antes do resfriamento do tecido
(SPEED, 2001).
Além disso, estudos realizados por Ng G.Y.F. et al., (2004), em animais indicam
que a aplicação do ultra-som contínuo a 2W/cm
2
melhora a força tênsil do tendão de
ratos em cicatrização.
Para que ocorra o aquecimento, é necessário calcular-se uma dose adequada.
Geralmente opta-se pelo uso do modo contínuo para obtenção de calor, apesar de o
modo pulsado não ser absolutamente atérmico, o que acontece é que parte do calor
produzido é compensada por dissipação e por mecanismos biológicos (CAMBIER et
al., 2001).
2.2 Métodos Utilizados para Determinação da Dose
O tempo de tratamento e a intensidade são largamente usados para descrever a
dosagem em US terapêutico. Na aplicação estática, toda a área abaixo do feixe (ERA)
recebe a energia ultrassônica pelo mesmo período de tempo, porém está sujeita à não-
uniformidade do feixe, podendo gerar os pontos de hiperaquecimento. Para evitar isso,
utiliza-se a aplicação com movimento do transdutor. Porém, neste caso, a energia será
distribuída em uma área maior do que a secção transversa do feixe, então, muitas áreas
não estarão em contato com o feixe durante todo o tempo de aplicação da técnica.
Vários autores sugeriram métodos para compensar esta perda de contato, porém sem um
conceito claro de “tempo de exposição local”, que foi considerado como sendo o tempo
de exposição de cada ponto específico do tecido (GREY, 2003).
Da mesma forma como em US diagnóstico, a exposição à terapia por US pode
ser descrita em termos de pressão acústica ou intensidade. A descrição de intensidade
para exposições pulsadas apresenta alguns problemas. A pressão acústica no campo é
variável espacialmente e o ato de pulsar introduz uma variação adicional. É possível
calcular uma intensidade baseada na pressão máxima medida no campo (a intensidade
8
de pico espacial) ou baseada em uma média de pressão sobre uma área específica como,
por exemplo, a largura de feixe de 3 dB de um perfil de pressão (intensidade média
espacial). Quando se descreve a entrega de energia, também é importante distinguir se a
média foi calculada apenas sobre os períodos de tempo “on” (média de pulso) ou se foi
calculada ao longo do tempo, incluindo os períodos “on” e “off” (média temporal) (ter
HAAR, 2007).
Pode-se observar que um grande número de intensidades pode ser levantado,
sendo que as mais comuns são: I
SPTA
(spatial peak, temporal average intensity) que
corresponde à intensidade média temporal, com pico espacial; I
SATA
(spatial average,
temporal average intensity) que corresponde à intensidade média temporal, com média
espacial e I
SPPA
(spatial peak, pulse average intensity) que corresponde à intensidade
média de pulso, com pico espacial). Em geral, o aquecimento tecidual é melhor predito
pela I
SATA
(ter HAAR, 2007).
LEHMANN et al. (1954), em um estudo para comparar os efeitos da terapia por
US contínuo com a Diatermia por Microondas, estipularam um tempo variando de 5-10
minutos, e a intensidade variando de 2,5 a 14 Watts, de forma que a temperatura dos
tecidos estivesse logo abaixo daquela que causaria dor periostal. Sugeriram que o US
teria uma eficácia comparada à da terapia por Microondas, embora o aquecimento das
interfaces fosse mais nítido na terapia por US. Em compensação, o tempo de tratamento
com US foi menor que o da terapia por Microondas.
GÜRSEL et al. (2004) usaram um tempo de 10 minutos para tratar uma área de
15 cm
2
, com um transdutor de 6,2 cm
2
a 1 MHz de frequência e intensidade de
1,5 W/cm
2
para tratar desordens de tecidos moles do ombro, mas não observaram
melhora dos pacientes em seu estudo.
No Brasil, as fontes mais consultadas como referências para estabelecimento das
doses são os manuais dos equipamentos.
Segundo um destes manuais, a dose (D) do US é dada pelo produto entre a
Intensidade (I) e o Tempo de aplicação (T) (KW, 2005).
D = I . T (1)
De acordo com o Manual IBRAMED (2005), o tempo é geralmente calculado
dividindo-se o tamanho da área a ser tratada pela ERA do transdutor, com isso obtêm-se
9
o número de vezes que a ERA cabe dentro da área de aplicação e aplica-se um 1
min/cm
2
, sendo o tempo máximo de 15 minutos.
Ter HAAR, apud DEMMINK & HELDERS (2003) sugeriu que se a área tratada
fosse igual a duas vezes o tamanho da área de radiação efetiva (ERA) do transdutor a
energia ultrassônica entregue ao tecido seria a metade, e consequentemente o efeito
térmico também seria a metade. Por este motivo, muitos fisioterapeutas costumam
duplicar o tempo de aplicação quando a área é duas vezes o tamanho da ERA
(DEMMINK & HELDERS, 2003).
Já o manual da empresa KW sugere um tempo de um ou dois minutos para cada
10 cm
2
. Segundo CAMERON (1999), a área de tratamento deve ser igual ao dobro da
ERA e o tempo de aplicação pode variar de cinco a dez minutos.
GREY (2003) estudou o tempo de exposição local do tecido de duas formas: (i)
através de um modelo matemático onde padrões ideais de varredura foram construídos,
e (ii) amostragem da aplicação manual de 22 terapeutas usando um digitalizador. Um
modelo de transdutor e vários tamanhos de modelos de tecidos foram utilizados. A
partir destes padrões de aplicação a distribuição da exposição local foi calculada. O
modelo de cálculo consistiu de um círculo, representando a secção transversa do feixe,
que se movia sobre a superfície do tecido. Relatando a posição do feixe em relação às
coordenadas do tecido, os períodos de exposição local foram encontrados. O autor usou
para calcular o tempo médio de exposição a seguinte fórmula:
Tempo total do tratamento = tempo médio de exposição planejado x área da lesão/ ERA
(2)
Ele concluiu que em condições ideais, a fórmula permite calcular o tempo médio
de exposição local aumentando o tempo total de tratamento de acordo com a razão entre
a área a ser tratada e a área de radiação efetiva do transdutor. Porém o autor observa que
há uma grande variação na exposição dos diferentes pontos da superfície do tecido e o
mesmo considera esta variação inerente à característica dinâmica da aplicação. Desta
forma, a região central da lesão tem um tempo médio de exposição maior do que as
bordas. Já nas aplicações manuais, o tempo médio de exposição foi muito menor que o
planejado, e as estratégias de movimentação foram diversas. Ele sugere ainda que a
utilização de linhas como ‘guias’ tendem a diminuir esta variação e aproximar a
aplicação da ideal.
10
Para determinação da intensidade do US, I(x), a uma determinada profundidade
x a equação mais utilizada é a equação (3)
I(x) = I
o
. e
-ax
(3)
onde (a) é o coeficiente de absorção e (I
o
) é a intensidade inicial (IBRAMED, 2005,
FUIRINI & LONGO, 2002). O coeficiente de absorção de cada tecido pode ser obtido
em uma tabela como a seguir:
Tabela 2.2.1 - Coeficientes de absorção para tecidos biológicos para duas
frequências
Tecido Coeficiente de
absorção
1MHz
(mm)
3MHz
(mm)
Pele 0,62 1,86
Gordura 0,14 0,42
Músculo * 0,76 2,28
Osso 3,22 --
* Feixe ultrassônico perpendicular às fibras musculares.
(Cameron,1999)
Outra maneira de se calcular a dose é por meio do valor de profundidade média
(Pmd), que é a profundidade para cada tecido na qual a intensidade é reduzida à metade,
e é dada pela seguinte equação:
Pmd = 0,69 a
-1
(4)
sendo (a) o coeficiente de absorção.
Porém, de acordo alguns estudos, vários parâmetros influem na formação do
campo térmico (DAMIANOU et al.,1997, HYNYNEN 1991), sendo que um dos mais
importantes seria a razão de perfusão do sangue, principalmente quando se fala em
largos tempos de insonação, como nos tratamentos fisioterapêuticos. Estes parâmetros
não são considerados nas equações acima.
Uma opção para aproximar este cálculo da realidade é a modelagem pela
Equação Biotérmica (5):
( ) ( ) ( )
rQTTcTk
t
T
c
abbbttt
r
+−+∇⋅∇=
∂
∂
ωρρ
(5)
11
onde T é a temperatura no tempo t e no ponto (x,y,z), ρ
t
é a densidade do meio, c
t
é o
calor específico do meio, k
t
a condutividade do meio, ω
b
é a razão de perfusão
sanguínea, ρ
b
é a densidade do sangue, c
b
é o calor específico do sangue, T
a
a
temperatura do sangue arterial e Q(x,y,z) a potência acústica depositada por unidade de
volume. O primeiro termo do lado direito da equação (5) descreve o processo de
difusão, o segundo termo descreve o resfriamento devido à transferência de calor para
os vasos sanguíneos presentes dentro e fora da região de estudo. O terceiro termo
descreve o campo térmico originado pela absorção da onda ultra-sônica e se obtém a
partir de:
( ) ( )
(
)
s
m
a
c
rp
TrrQ
ρ
µ
2
,
r
rr
= (6)
onde
(
)
Tr
a
,
r
µ
é o coeficiente de absorção dependente da posição e temperatura, Pm é a
pressão acústica e ρc
s
é a impedância acústica do meio (MEANEY, CAHILL, ter
HAAR ,1998, FILONENKO & KHOKHLOVA , 2001).
A aplicação da dose é realizada com a adoção de um protocolo terapêutico. A
seguir serão descritos os protocolos mais comuns.
2.3 Protocolos de Aplicação
A maioria dos manuais e livros pesquisados orienta o terapeuta a realizar
movimentos circulares com o transdutor quando da utilização do equipamento de US,
porém, não há maiores esclarecimentos a respeito das características deste movimento,
como velocidade, sentido, seqüência de movimentos, etc.
Quatro protocolos de aplicação com especificação de movimento foram
encontrados na literatura:
a) O primeiro, em um livro intitulado Physical Agents in Rehabilitation – From
Research to Practice (CAMERON, 1999). Neste é apresentado o protocolo de
aplicação descrito abaixo:
– Posicionar o transdutor sobre a área de tratamento utilizando um meio de
contato (gel/água).
12
– Quando o meio é gel, deve-se realizar uma movimentação do transdutor
a 4 cm/s para promover uniformização da distribuição de energia sobre a
área a ser tratada e evitar onda estacionária. O movimento deve ser
realizado de forma que o centro do transdutor mude de posição, expondo
toda a área de tratamento de forma similar.
Pode-se observar que este protocolo apenas especifica a velocidade de
movimentação, mas é falho no que diz respeito ao tipo de movimento a ser
aplicado.
b) O segundo, um trabalho apresentado em 1999 no World Congress of Physical
Therapy em Yokohama-Japão intitulado Towards an evicence-based model for
determining treatment dosage in therapeutic ultrasound, onde se procura
relacionar a frequência da irradiação com a velocidade do movimento. Foi
utilizada uma amostra de tecido suíno onde obviamente a perfusão sangüínea
não é considerada. Nesta pesquisa o movimento se limitou ao proporcionado por
um dispositivo mecânico motorizado que faz um movimento oscilatório. Na
freqüência de 3 MHz, os autores obtiveram melhor efeito de penetração com
movimentos mais lentos do transdutor (1 Hz), e na freqüência de 1 MHz os
movimentos mais rápidos (3 Hz) obtiveram melhor penetração (GOH, et al.,
1999).
c) O terceiro, um artigo publicado em 2003 no periódico Advances in
Physiotherapy com o título The Effect of Moving an Ultrasound Transducer on
Tissue Heating, utilizou tecido suíno fresco e comparou, por meio de um sistema
de imagem térmica, as aplicações estática e dinâmica (à velocidade de 3 cm/s).
Para este estudo foi utilizado US na freqüência de 2 MHz com intensidade de 2
W/cm
2
numa área igual ao dobro da ERA do transdutor. Para compensar o
aumento da área, os autores dobraram o tempo de aplicação na técnica dinâmica.
A imagem obtida pela câmera após a aplicação do US foi comparada com uma
imagem inicial em faixas demarcadas de 0,5 a 4,5 cm de profundidade num
passo de 0,5 cm, criando uma diferença de padrão de aquecimento. Os autores
verificaram que na técnica estática havia dois pontos de superaquecimento, a
pele e o osso. Já na técnica dinâmica, o aquecimento no osso não foi observado.
O pico de aquecimento ósseo foi observado em frente aos ossos com formato
côncavo e internamente aos ossos com formato convexo, o que reforça a idéia de
que picos de temperatura são resultantes de focalização do feixe. Nesse caso, a
13
focalização foi feita pelo próprio osso. Os autores concluíram que os efeitos de
superaquecimento causados pela geometria do tecido e suas propriedades
térmicas e acústicas podem ser evitados utilizando a técnica de movimentação.
Entretanto observaram que, quando a área de tratamento corresponde ao dobro
da ERA, a simples duplicação do tempo de tratamento não garante a
homogeneidade do aquecimento, pois uma área central recebe o feixe
continuamente e, portanto, aquece mais que a periferia. Para garantir um
aquecimento mais homogêneo, a área deveria ser o quádruplo da ERA (com o
tempo respectivamente multiplicado por quatro), pois desta forma o feixe não
passaria continuamente sobre o centro da região tratada
(DEMMINK &
HELDERS, 2003).
d) GREY (2003) em estudo já descrito anteriormente, avaliou o tempo de
exposição local aplicando um simulador de feixe de US em modelos de tecido.
Utilizou em seu experimento movimento do transdutor em linhas paralelas
sobrepostas, e obteve uma exposição maior na região central e menor nas bordas
da área de tratamento.
14
CAPÍTULO 3
MATERIAIS E MÉTODOS
Para este estudo, foi desenvolvido um phantom que utiliza termopares para
coletar e registrar o seu comportamento térmico após a exposição ao ultra-som. Este
processo está apresentado a seguir.
3.1 Phantom Elaborado
O phantom elaborado é constituído de uma estrutura de suporte formada por um
tubo de alumínio transpassado por sete termopares e preenchido por um material
mimetizador das propriedades acústicas e térmicas dos tecidos moles. A seguir serão
descritos esses elementos.
3.1.1 Material mimetizador das propriedades acústicas e térmicas
Foi utilizado um material desenvolvido por BASTO (2007), neste mesmo
laboratório, que é constituído de PVC, ágar e grafite, e mimetiza as propriedades
acústicas e térmicas dos tecidos moles.
A receita original utiliza os ingredientes listados na tabela 3.1.1.1 e os passos
para sua realização estão indicados a seguir:
Tabela 3.1.1.1 - Ingredientes utilizados na composição do material mimetizador
Fonte: BASTO (2007)
Água
110 ml
(massa de
água+detergente)
Agar
3,17 g
Detergente
(Anti
-
espumante)
11 g
Glicerina
13,98 g
Pó PVC
6,18 g
Pó grafite
0,38 g
15
1 - Misturar o pó de PVC e o grafite com detergente sem espuma.
2 - Adicionar o pó de ágar misturando bem com uma haste de vidro até formar
uma massa.
3 - Adicionar glicerina e água.
4 - Colocar o Becker com o agitador magnético para agitar por 30 min. sem
aquecer (Figura 3.1.1.1)
Figura 3.1.1.1 - Material mimetizador de tecidos (seta) em processo de mistura
no agitador.
5 - Depois, colocar na bomba a vácuo por pelo menos 2 h para retirar as bolhas
de ar (Figura 3.1.1.2).
Figura 3.1.1.2 - Material mimetizador de tecidos em processo de retirada de
bolhas de ar na bomba a vácuo. É possível visualizar as bolhas (seta).
16
6 - Colocar o Becker na Balança e tarar a balança com o Becker.
7 - Levar o Becker ao aquecedor até atingir a temperatura de 80 ºC misturando
lentamente para homogeneizar a temperatura sem gerar bolhas (Figura 3.1.1.3).
Figura 3.1.1.3 - Material mimetizador em processo de aquecimento
8 - Pesar novamente o Becker e acrescentar a diferença de massa em água.
9 - Esfriar o phantom até 45 ºC sem fazer bolinhas de ar.
No experimento a receita foi adaptada para que fossem produzidos 600 g de
material mimetizador, mantendo as mesmas proporções originais.
Tabela 3.1.1.2 - Proporções dos ingredientes utilizados para preparar o material
mimetizador
%
massa
massa cumulativo
H2O 74,23
445,40
445,40
Detergente 8,17
48,99
494,40
Agar 2,35
14,12
508,51
Glicerina 10,38
62,27
570,78
Pó de PVC 4,59
27,53
598,31
Pó de Graf 0,28
1,69
600,00
Phantom
600,00
600,00
Termômetro
Material Mimetizador
Aquecedor ligado
17
As propriedades do phantom utilizado estão expostas na tabela 3.1.1.3
Tabela 3.1.1.3 - Propriedades acústicas e térmicas do material mimetizador
comparadas às dos tecidos humanos
Propriedades medidas para o phantom utilizado neste experimento
Propriedades
Acústicas
Transdutor de 1 MHz
Média do Tecido
Humano
Phantom utilizado
Velocidade de
Propagação (m/s)
1540 ± 6
1520,21 m/s ± 35,96
Atenuação (dB/cm)
0,7 ± 0,05
0,22 dB/cm ± 0,01
Outras propriedades não medidas para este experimento
(Fonte: Basto, 2007)
Propriedades
Térmicas
Média do Tecido
Humano
Phantom
Difusividade Térmica
(mm²/s)
1,13 ± 0,01
1,13 ± 0,01
Condutividade Térmica
(W/m/°C)
0,51 ± 0,05
0,53 ± 0,03
Calor
Específico(J/Kg/°C)
3750 ± 150 3477 ± 204,28
Importante notar que algumas das propriedades termo-acústicas do material
apresentavam características mais semelhantes à da gordura do que dos tecidos moles
em geral (músculos, ligamentos). A atenuação medida foi de 0,22 dB/cm ± 0,01 e a
velocidade de propagação foi de 1520,21 m/s ± 35,96. Sabe-se que a gordura é um dos
tecidos que menos aquece quando da aplicação da diatermia, sendo este um aspecto que
será abordado no capítulo de discussão.
18
3.1.2 Termopares e estrutura de suporte
Após a produção do material mimetizador, o mesmo é colocado ainda quente
dentro de um tubo de alumínio com diâmetro interno de 9,5 cm e altura de 7 cm
(Figuras 3.1.2.1 e 3.1.2.2) e deixado assim para esfriar até que se solidifique. O tubo foi
transfixado por sete termopares do tipo E (constantan-crommel), dispostos de forma
linear ao longo do diâmetro do Tubo, a 2 cm de profundidade, sendo um posicionado no
centro do tubo e os outros de forma simétrica a 1, 2 e 3 cm de distância em relação ao
central (Figuras 3.1.2.2 a 3.1.2.4). A escolha do alumínio como material mais adequado
à estrutura de suporte, deveu-se ao fato deste ser um material com boa condutividade
térmica, de forma que o calor fosse sendo transmitido ao ambiente externo de forma
natural por condução, não ficando acumulado dentro do phantom.
A escolha do posicionamento dos termopares a 2 cm de profundidade foi
baseada em experimentos realizados neste laboratório, com o mesmo transdutor e o
mesmo material mimetizador, onde sete termopares foram posicionados
longitudinalmente ao centro do feixe e perpendiculares à superfície de aplicação do US.
Estes termopares estavam distantes 10 mm um em relação ao outro, sendo que o
primeiro foi posicionado a 10 mm de profundidade em relação à superfície do phantom.
Observou-se que, nestas condições, o termopar que registrou maior variação de
temperatura foi aquele localizado a 2 cm de profundidade. (OMENA et al, 2007)
19
Figura 3.1.2.2 - Esquema de distribuição dos termopares (vista superior).
Figura 3.1.2.1 - Dimensões do tubo (vista lateral).
20
Figura 3.1.2.3 - Tubo (vista superior). Pode-se visualizar os fios dos termopares.
Do lado de fora do tubo estes estão revestidos por tubos plásticos. A junção entre
os fios de constantan e cromel foi posicionada ao longo do diâmetro do tubo,
conforme o esquema acima.
Figura 3.1.2.4 - Tubo (vista lateral), Nesta posição é possível ver a cola de
silicone utilizada para fixação dos fios à parede do tubo, bem como o
posicionamento dos fios em relação à altura do tubo.
Os termopares já montados no tubo de alumínio e conectados ao SPIDER 8
foram colocados dentro de uma caixa de isopor contendo uma resistência e um agitador.
A temperatura no interior desta caixa foi monitorada por termopares calibrados no
21
Laboratório de Transferência e Transmissão de Calor (LTTC-COPPE/UFRJ). Foi
gerado um aquecimento no interior da caixa ao se conectar a resistência a uma fonte de
tensão. Assim, um aumento de temperatura é produzido tendendo à situação de
equilíbrio quando a perda de calor é equivalente à geração do mesmo. Os termopares
foram aquecidos somente pelo ar no interior da câmara que apresentava uma
temperatura homogênea em função da agitação.
Na situação de equilíbrio, as temperaturas dos vários termopares são registradas
e comparadas com as obtidas pelos termopares calibrados. Repetindo este procedimento
para pelo menos três níveis de temperatura, pôde-se levantar as curvas de calibração dos
sete termopares. Esta calibração foi realizada uma só vez.
Antes de analisar as curvas de variação de temperatura propriamente ditas, foi
feita uma análise da curva de calibração dos termopares que será exibida a seguir
(Figura 3.1.2.5). Esta curva foi traçada a partir dos dados que constam na tabela 3.1.2.1
e relaciona cinco valores em graus Celsius da temperatura medida pelo termopar de
referência, que foi calibrado no LTTC, com os valores obtidos pelos outros seis
termopares de Constantan-Cromel que foram confeccionados para este estudo. Um dos
canais do SPIDER 8 deixou de funcionar durante a execução do trabalho, portanto, para
o termopar utilizado neste canal, optou-se por utilizar os dados obtidos pelo termopar
simétrico.
Tabela 3.1.2.1 – Temperaturas em graus Celsius registradas pelo termopar
de referência e pelos termopares utilizados no estudo. Foram utilizados
cinco valores de referência.
REF
20 mm
10 mm
central
- 10 mm
- 20 mm
- 30 mm
26,2
25,9 25,8 26,0 26,5 26,3 26,1
29,3
29,2 29,2 29,5 29,8 29,6 29,3
33,6
33,7 33,7 34,0 34,2 33,9 33,8
38,3
38,5 38,6 39,0 39,1 38,9 38,7
52,6
53,1 53,3 53,6 53,6 53,4 53,2
22
Figura 3.1.2.5 – Curva de calibração dos termopares.
Após a obtenção destas medidas, foram traçadas as retas de regressão linear a
partir das quais foram obtidas as equações abaixo (Equações 8 a 13), respectivamente:
1,030x – 0,980 = y R
2
= 1,000 (8)
1,039x – 1,300 = y R
2
= 0,999 (9)
1,045x – 1,188 = y R
2
= 0,999 (10)
1,025x – 0,229 = y R
2
= 1,000 (11)
1,028x – 0,602 = y R
2
= 1,000 (12)
1,027x – 0,753 = y R
2
= 0,999 (13)
A curva ideal seria y = x, ou seja, coeficiente angular igual a 1 e cruzando o eixo
vertical em y = 0. Nota-se, portanto, que os coeficientes angulares são próximos à
unidade, variando a partir da segunda casa decimal. Da mesma forma, as retas de
regressão cruzam o eixo vertical em valores próximos ao zero.
23
3.1.3 Montagem final
Os termopares foram envolvidos por tubos de silicone apenas no trecho que
passa pela parede do tubo de alumínio. Isto foi feito para evitar o contato direto dos fios
com o alumínio, que poderia gerar interferência no sinal. A fixação dos fios ao tubo foi
feita com cola de silicone quente.
Com o material mimetizador pronto, e colocado dentro do tubo com os
termopares, o sistema foi então ligado a um equipamento para fazer aquisição dos
sinais.
3.2 Arranjo Experimental
A seguir serão descritos os equipamentos utilizados, a montagem do
experimento, a coleta de sinais e os protocolos testados.
3.2.1 Equipamentos
Para este estudo foram utilizados: equipamento de Ultrassom terapêutico
Ibramed 1 MHz, ERA nominal 3,5cm
2
(Figura 3.2.1.1), equipamento para aquisição de
sinais SPIDER 8 (SPIDER 600Hz – 4,8Hz , fabricado por: HOTTINGER BALDWIN
MESSTECHNIK – HBM, Alemanha) (Figuras 3.2.1.2 e 3.2.1.3), com software de
aquisição CATMAN 4.5 HBM Software Controler; Aplicativo LabView®,
microcomputador tipo PC, metrônomo da marca Shelter USA.
Além disto, foi elaborado um sistema de chaves elétricas ligadas a um
dispositivo para emitir som. Quando as chaves são acionadas o dispositivo emite um
sinal sonoro. O sistema foi utilizado, juntamente com o metrônomo para controlar a
velocidade média de movimentação do transdutor nos protocolos dinâmicos, conforme
será esclarecido posteriormente.
24
Figura 3.2.1.1 - Painel frontal do equipamento de Ultrassom Ibramed Sonopulse.
Figura 3.2.1.2 - Dispositivo para aquisição de sinais Spider 8 (vista do painel
frontal).
25
Figura 3.2.1.3 - Dispositivo para aquisição de sinais Spider 8 (vista posterior).As
setas vermelhas mostram as conexões onde são ligados os fios dos termopares
(são 7 no total). A seta azul mostra o transdutor utilizado no equipamento de US.
3.2.2 Montagem e coleta de sinais
Os termopares foram ligados ao Spider 8 (interligado ao PC). Este adquire o
sinal por meio de sete canais independentes com blindagem eletromagnética e realiza a
conversão análogo-digital. O software CATMAN gerencia os dados do SPIDER 8,
armazenando-os numa matriz do tipo Excel. O software ainda traça curvas de
temperatura para cada um dos termopares, para monitoração da aquisição do sinal. Os
dados foram tratados por um programa em LabView chamado LUÍSA, elaborado no
próprio Laboratório de US do Programa de Engenharia Biomédica da COPPE/UFRJ,
pelo doutorando Luís Eduardo Maggi. O aparelho de US foi calibrado periodicamente
com balança de radiação (Figura 3.2.2.1).
26
Figura 3.2.2.1 - Diagrama de blocos do sistema
experimental.
3.3 Protocolos de Aplicação do Ultrassom
Após montado o equipamento, foram realizadas varreduras utilizando o aparelho
de US com transdutor de 1 MHz e com intensidades variando entre 0,5 e 2 W/cm
2
, num
passo de 0,5 W/cm
2
em cada um dos protocolos a seguir:
A. Aplicação do US estático sobre o termopar central e a área correspondente à
ERA por 5 min.
B. Aplicação do US estático sobre o termopar central e a área correspondente à
ERA por 10 min.
Após observar os resultados dos protocolos estáticos, optou-se por realizar os
protocolos dinâmicos apenas com a intensidade de 2 W/cm
2
, tendo-se em vista que o
objetivo é analisar o comportamento térmico e esta intensidade foi a que mais produziu
calor. Seguem-se os protocolos:
C. Aplicação do US em movimento longitudinal sobre o diâmetro do tubo no
sentido do posicionamento dos termopares. Foram realizados movimentos nas
seguintes velocidades 2, 4 e 6 cm/s. por 10 minutos cada.
D. Aplicação do US em movimento circular de forma que o centro do transdutor
passasse sempre sobre o termopar localizado a 1 cm do centro. Foram realizadas
aplicações nas velocidades de 2, 4 e 6 cm/s. por 10 minutos cada.
E. Aplicação do US em movimento circular de forma que o centro do transdutor
passasse sempre sobre o termopar localizado a 2 cm do centro. Foram realizadas
aplicações nas velocidades de 2, 4 e 6 cm/s. por 10 minutos cada.
Spider 8
Placa absorvedora
7 termopares
Equipamento de
US
PC
Tubo com
Phantom
27
Para guiar o posicionamento do transdutor durante os protocolos,
confeccionaram-se algumas peças em PVC (máscaras), que foram colocadas sobre o
phantom (Figuras 3.3.1 e 3.3.2). As peças delimitavam a área a ser tratada e, durante a
aplicação, o transdutor permanecia com sua borda externa sempre em contato com a
máscara. Desta forma, procurou-se garantir o trajeto do transdutor.
Figura 3.3.1 - Máscaras: A, máscara utilizada para centralizar o transdutor nos
protocolos estáticos (Protocolos 1 e 2); B, máscara para guiar o movimento
circular do transdutor (protocolo 4 – Máscara Pequena); C, máscara para guiar o
movimento circular do transdutor (protocolo 5 – Máscara Grande); D, máscara
utilizada para guiar o movimento longitudinal do transdutor (protocolo 3 –
Longitudinal)
B
D
A
C
28
Figura 3.3.2 - Posicionamento da Máscara
O diâmetro do transdutor é de 38 mm, enquanto que, por ser a ERA nominal 3,5
cm
2
, calcula-se um feixe com diâmetro de 21 mm. Como as máscaras foram construídas
para delimitar o movimento do transdutor, é necessário calcular a área real exposta ao
feixe ultrassônico. Figura 3.3.3.
Figura 3.3.3 – Esquema do transdutor (círculo tracejado em azul) e da ERA
(círculo em vermelho).
Na máscara estática, a área é igual à ERA, ou seja, 3,5 cm
2
(ERA nominal). Já
na máscara longitudinal, que tem uma largura de 38 mm e um comprimento de 98 mm,
a área de exposição ao feixe foi calculada em 16,6 cm
2
, enquanto que a área total é de
34,12 cm
2
(figura 3.3.4). A máscara pequena tem um diâmetro de 58 mm, sendo
calculada uma área de exposição ao feixe igual a 13,2 cm
2
, para uma área total de 26,41
Transdutor
Máscara
guia
Tubo com
material
mimetizador
Placa
absorvedora
Borda externa
do transdutor
Borda externa
do feixe
29
cm
2
(Figura 3.3.5). A máscara grande tem diâmetro igual a 78 mm, sendo a área de
exposição ao feixe igual a 26,37 cm
2
e a área total igual a 47,76 cm
2
(Figura 3.3.6).
Estas medidas estão resumidas na tabela 3.3.1. Além destes dados, a tabela também
mostra a relação entre o tamanho da área de exposição ao feixe e a ERA do transdutor,
já que este é um parâmetro muito citado pelos autores para determinação da dose do US.
Esta relação é de 1:1 para a aplicação estática, 4,74:1 para a aplicação longitudinal,
3,77:1 na varredura circular com máscara pequena e 7,53:1 na varredura circular com
máscara grande.
Tabela 3.3.1 - Áreas correspondentes às máscaras
Máscaras Área total Área de
exposição ao
Feixe
Relação entre
Área de
Exposição/ERA
Estática 11,34 cm
2
3,5 cm
2
1
Longitudinal 34,12 cm
2
16,6 cm
2
4,74
Circular
Pequena
26,41 cm
2
13,2 cm
2
3,77
Circular Grande 47,76 cm
2
26,37 cm
2
7,53
A varredura longitudinal está esquematizada na figura 3.3.4, onde o círculo
hachurado em vermelho representa o feixe de US e as linhas vermelhas delimitam a área
de exposição ao feixe. O círculo pontilhado em azul representa o perímetro do
transdutor que percorre a área total da máscara (delimitada em azul) deslizando o centro
do transdutor sobre os sete termopares.
30
60.00
R49.00
Figura 3.3.4 – Esquema demonstrando a varredura longitudinal. Os valores
mostrados na figura estão em mm.
A figura 3.3.5 esquematiza a varredura com movimentos circulares utilizando a
máscara pequena. É interessante observar que o círculo hachurado, que representa o
feixe ultrassônico, tangencia o centro da máscara durante todo o percurso, enquanto que
a borda externa do feixe delimita a área de exposição representada pelo círculo em
vermelho. A seta arqueada representa o trajeto do centro do feixe, que foi
propositalmente traçado para que o mesmo passasse sobre os termopares localizados a
10 mm do termopar central. O transdutor está representado pelo círculo tracejado em
azul e a sua borda externa tangencia o círculo azul com linha contínua, que representa o
perímetro da máscara delimitando sua área total.
Borda
Externa do
Transdutor
Área de
exposição
ao Feixe
31
R20.50
R10.00
Figura 3.3.5 – Esquema demonstrando a varredura circular com máscara
pequena. Os valores mostrados na figura são medidas de raios em mm.
A varredura circular com a máscara grande está esquematizada na figura 3.3.6.
A área exposta ao feixe está delimitada por duas linhas vermelhas e tem o formato de
um anel. Apesar de ser sobreposta pelo transdutor durante a varredura, a porção central
do phantom, delimitada pela borda interna do feixe, não recebe irradiação diretamente.
A seta arqueada representa o trajeto do centro do feixe, que foi propositalmente traçado
para passar sobre os termopares localizados a 20 mm do termopar central. A linha preta
representa a borda da máscara, que é tangenciada pela borda do transdutor, representado
por um círculo tracejado em azul, durante o movimento.
Borda
Interna da
Máscara
Borda
Externa do
Transdutor
Borda
Externa do
Feixe
32
R9.50
R30.50
R20.00
Figura 3.3.6 - Esquema demonstrando a varredura circular com máscara grande.
Os valores mostrados são medidas de raio em mm.
Segundo o protocolo já estabelecido as velocidades de deslocamento do
transdutor são; 2, 4 e 6 cm por segundo. Para controlar a velocidade utilizou-se um
circuito de chaves eqüidistantes interligadas a um dispositivo sonoro (Figuras 3.3.7 e
3.3.8). Durante a movimentação do transdutor, as chaves são acionadas emitindo um
‘bip’. A freqüência de repetição destes ‘bips’ era função da velocidade. A
correspondência entre a velocidade de deslocamento e a freqüência dos ‘bips’ por
minuto é calculada pela equação abaixo (7). Ela fornece o número de vezes por minuto
que as chaves deveriam ser acionadas para o percurso e velocidade selecionados. Este
cálculo foi realizado individualmente para cada uma das máscaras, tendo em conta o
percurso percorrido pelo centro do transdutor. Um metrônomo (Figura 3.3.9) foi
ajustado para tocar na freqüência estabelecida após o cálculo para cada uma das
velocidades. Desta forma, o operador pode sincronizar o toque das chaves com o som
do metrônomo, procurando manter a velocidade constante durante toda a aplicação.
P – Percurso do transdutor [cm]
V – Velocidade de deslocamento do transdutor [cm/s]
T – Período [s]
Borda
Externa do
Transdutor
Borda
Externa da
Máscara
Linhas que
delimitam a
área exposta
ao feixe
33
F – Frequência [Hz]
Nch – Número de toques nas chaves por período
BPM –[bips por minuto]
ܶ ൌ ܲ
ܲ
ܸ
ܨ ൌ
1
ܶ
ܤܲܯ ൌ 60 ൈ ܨ ൈ ݄ܰܿ (7)
Figura 3.3.7 – A) Chave utilizada para a máscara longitudinal, ao passar, o
transdutor empurra a meia esfera transparente acionando a chave; B) Dispositivo
conectado à chave, quando a mesma é acionada, o dispositivo emite um som.
A
B
34
Figura 3.3.8 - Chaves utilizadas nas máscaras circulares. Ao passar, o transdutor
aciona o pequeno botão vermelho em cada chave, que, por estar conectada ao
dispositivo mostrado na figura 3.3.7, emite um som.
Figura 3.3.9 – Metrônomo utilizado para auxiliar na sincronização da velocidade
de varredura do transdutor sobre o phantom.
Todos os protocolos foram realizados três vezes, de forma que os resultados
apresentados a seguir são as médias destas.
3.4 Análise dos Resultados
Para análise dos resultados, foi elaborado um programa em LabView chamado
LUÍSA, onde os sinais foram filtrados (passa-baixas de 3ª ordem usando 40 pontos) e
35
foi feita uma média das três curvas de variação da temperatura para cada termopar. O
software também registra quando o ∆T ultrapassa um valor pré-estabelecido pelo
usuário e o tempo (s) em que a curva permaneceu acima deste valor. Para esta análise,
foi estabelecido um valor de ∆T de 3 °C, considerando que a temperatura corporal
normal gira em torno de 37 °C e preconiza-se que os efeitos térmicos desejados sejam
alcançados quando os tecidos se encontram a uma temperatura entre 40 e 45 °C por, no
mínimo, 5 minutos (CAMERON, 2004, LEHMANN et al, 1967, FUIRINI & LONGO,
2002).
Para facilitar a interpretação, o software LUÍSA traça curvas com as três
repetições de cada protocolo para cada termopar separadamente e, em uma outra janela,
traça curvas para cada termopar das médias das três repetições, marcando com diferença
de cor o período em que a curva permaneceu acima do limite estipulado, no caso, 3 °C,
conforme exemplificado na figura 3.4.1.
Figura 3.4.1 – (a) Gráfico das três curvas do protocolo de aplicação de 2 W/cm
2
com movimento circular com a máscara pequena durante 10 minutos para o
termopar central, apresenta as repetições em cores e a média em preto. (b)
Gráfico da média traçada na figura (a) em azul, com o período em que
permaneceu acima de 3 °C em vermelho.
36
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
As tabelas a seguir foram elaboradas com os dados resultantes do cálculo das
médias das três amostras coletadas para cada protocolo. Os dados sombreados são
referentes aos termopares que registraram uma variação de temperatura acima de 3 °C
por mais de 300 segundos (5 minutos). Os termopares localizados simetricamente a 10,
20 e 30 mm do central, são diferenciados de seu par simétrico por um sinal de (-).
Outros termopares alcançaram um ∆T de 3 °C, porém por tempos inferiores a 5
minutos, por este motivo não estão destacados.
4.1 Aplicação Estática
A aplicação estática, foi realizada em quatro intensidades (0,5/1,0/1,5/2,0
W/cm
2
) e em dois tempos diferentes (5 e 10 minutos), os resultados são mostrados nas
tabelas 4.1.1 e 4.1.2.
Tabela 4.1.1 - Aplicação Estática (5 minutos) - Média das variações máximas de
temperatura (∆T) em cada termopar, nas intensidades de 0,5 a 2 W/cm
2.
. Tempo
(segundos) em que ∆T permaneceu acima de 3°C.
Variação
de
temperatura
a 0,5W/cm
2
∆t (s)
acima
de
3°C
Variação
de
temperatura
a 1,0W/cm
2
∆t (s)
acima
de
3°C
Variação
de
temperatura
a 1,5W/cm
2
∆t (s)
acima
de
3°C
Variação
de
temperatura
a 2,0W/cm
2
∆t (s)
acima
de
3°C
Termopar
-30 0,2 0 0,1 0 0,2 0 0,4 0
-20 0,3 0 0,4 0 0,5 0 0,6 0
-10 0,9 0 2,8 0 3,4 101 4,4 247,6
central 2,3 0 3,9 167 5,7 345,8 7,9 453
10 2,8 0 2,1 0 3,0 105 4,0 203,8
20 0,7 0 0,4 0 0,4 0 0,6 0
30 0,4 0 0,2 0 0,2 0 0,4 0
* Os dados sombreados são referentes aos termopares que registraram uma variação de temperatura acima
de 3°C por mais de 300 segundos (5 minutos).
37
Tabela 4.1.2 - Aplicação Estática (10 minutos) - Média das variações máximas de
temperatura (∆T) em cada termopar, nas intensidades de 0,5 a 2 W/cm
2
. Tempo
(segundos) em que ∆T permaneceu acima de 3 °C.
Variação de
temperatura
a 0,5 W/cm
2
∆t (s)
acima
de 3
°C
Variação
de
temperatura
a 1,0W/cm
2
∆t (s)
acima
de 3
°C
Variação
de
temperatura
a
1,5 W/cm
2
∆t (s)
acima
de 3
°C
Variação
de
temperatura
a
2,0 W/cm
2
∆t (s)
acima
de 3
°C
Termopar
-30 0,2 0 0,6 0 0,5 0 0,9 0
-20 0,3 0 0,9 0 0,9 0 1,6 0
-10 1,3 0 3,9 316,2 5,1 553,4 6,8 837,4
central 2,9 0 5,9 634 8,1 804,2 11,4 969,6
10 3,3 157,4 3,6 234,4 4,7 499,8 7,7 875,2
20 1,2 0 0,9 0 0,8 0 1,7 0
30 0,5 0 0,6 0 0,4 0 0,9 0
* Os dados sombreados são referentes aos termopares que registraram uma variação de temperatura acima
de 3°C por mais de 300 segundos (5 minutos).
Após a realização da etapa de aplicações estáticas, observou-se que o tempo de 5
minutos seria insuficiente para realização do aquecimento nos padrões de interesse
durante as aplicações de movimento, pois as áreas de irradiação seriam maiores,
distribuindo, portanto, a energia aplicada. Por este motivo, optou-se por utilizar, para as
aplicações seguintes (com movimento), somente o tempo de 10 minutos e também a
intensidade de 2 W/cm
2
, por ser a que produziu maior quantidade de calor na aplicação
estática.
4.2 Varredura com Movimento Longitudinal
A varredura longitudinal foi realizada utilizando sempre a mesma máscara, no
tempo de 10 minutos, variando apenas a velocidade de movimentação do transdutor. Os
resultados estão expostos na tabela 4.2.1.
38
Tabela 4.2.1 – Varredura com Movimento Longitudinal (10 minutos) - Médias das
variações máximas de temperatura (∆T) em cada termopar, na intensidade de
2 W/cm
2
nas velocidades de 2, 4 e 6 cm/s. Tempo (segundos) em que ∆T
permaneceu acima de 3 °C.
Termopares/Velocidades Vel 2 cm/s Vel 4 cm/s Vel 6 cm/s
∆T Max (°C) ∆t (s)
acima
de 3 °C
∆T
Max
(°C)
∆t (s)
acima de
3 °C
∆T Max
(°C)
∆t (s)
acima de
3 °C
-30mm 3,2 78 3,2 59,4 2,2 0
-20mm 2,9 0 3,0 0 2,2 0
-10mm 2,4 0 2,6 0 2,5 0
central 2,1 0 2,6 0 2,7 0
10mm 2,4 0 2,8 0 2,5 0
20mm 2,9 0 2,6 0 2,5 0
30mm 3,2 78 3,2 59,4 2,2 0
* Nenhum dos termopares registrou uma variação de temperatura acima de 3 °C por mais de 300
segundos (5 minutos).
Para os três protocolos realizados, nenhum termopar alcançou os limites
estipulados como ideais para este estudo. Observa-se, no entanto, que houve
aquecimento acima de 3 °C nos termopares localizados a 30 mm do central para as
velocidades de 2 e 4 cm/s, sendo que, para a velocidade de 6 cm/s, nenhum termopar
alcançou 3 °C e a variação entre eles foi de, no máximo, 0,5 °C.
4.3 Varredura com Movimento Circular Usando Máscara Pequena
A varredura com movimento circular foi realizada com duas máscaras, sendo
que os resultados com a máscara pequena estão expostos na tabela 4.3.1, enquanto que,
com a máscara grande, os resultados serão apresentados no próximo tópico. A figura a
seguir (4.3.1) mostra as curvas de cada uma das aplicações em cores, e a média das três
curvas, em preto, para cada um dos sete termopares na varredura com máscara pequena
na velocidade de 2 cm/s.
Os gráficos exemplificados nas figuras 4.3.1 a 4.3.2 foram obtidos para todos os
protocolos pelo software LUÍSA em LabView, elaborado para análise dos resultados.
Estes estão resumidos na tabela 4.3.1.
39
Figura 4.3.1 - Gráficos das curvas registradas por cada um dos termopares
durante as três aplicações do protocolo de movimento circular com máscara
pequena, na velocidade de 2 cm/s. Os três gráficos superiores mostram as curvas
correspondentes aos termopares localizados a -30, -20 e -10 mm do termopar
central. O gráfico localizado no centro corresponde ao termopar central,
enquanto que os três gráficos inferiores representam os termopares representam
os termopares localizados a 10, 20 e 30 mm do central respectivamente.
A figura 4.3.2 mostra curvas representando as médias para cada termopar, sendo
que estas são mostradas em azul quando a variação de temperatura está abaixo de 3 °C e
em vermelho quando esta variação ultrapassa 3 °C.
40
Figura 4.3.2 - Gráficos mostrando as médias das curvas para as variações de
temperatura nos termopares -30, -20 e -10 mm e central acima, 10, 20 e 30 mm
abaixo, bem como um gráfico com a média geral da variação de temperatura na
área do phantom. Exemplificado para o protocolo com máscara pequena na
velocidade de 2 cm/s.
Tabela 4.3.1 - Varredura com Movimento Circular usando Máscara Pequena (10
minutos) - Médias das variações máximas de temperatura em cada termopar na
intensidade de 2 W/cm
2
nas velocidades de 2, 4 e 6 cm/s. Tempo (segundos) em que
∆T permaneceu acima de 3 °C.
Termopares/Velocidades Vel 2 cm/s. Vel 4 cm/s Vel 6 cm/s
∆T Max
(°C)
∆t (s) acima
de 3 °C
∆T Max
(°C)
∆t (s)
acima de
3 °C
∆T Max
(°C)
∆t (s)
acima de
3 °C
-30mm 1,5 0 0,9 0 0,8 0
-20mm 3,1 101 1,4 0 2,2 0
-10mm 6,5 799 4,2 421 4,2 426,2
central 7,7 839,8 4,5 501,2 4,5 503,4
10mm 6,5 799 3,5 194,6 3,7 276,4
20mm 2,5 0 1,4 0 1,3 0
30mm 1,5 0 0,9 0 0,8 0
* Os dados sombreados são referentes aos termopares que registraram uma variação de temperatura acima
de 3 °C por mais de 300 segundos (5 minutos).
Vale notar que os limiares de temperatura e tempo foram alcançados para todas as três
velocidades.
41
4.4 Varredura com Movimento Circular Usando Máscara Grande
A tabela 4.4.1 mostra os resultados da varredura com movimento com a máscara
grande nas velocidades de 2, 4 e 6 cm/s.
Tabela 4.4.1 – Varredura com Movimento Circular Máscara Grande (10 minutos)
- Médias das Variações máximas de temperatura em cada termopar na intensidade
de 2 W/cm
2
nas velocidades de 2, 4 e 6 cm/seg. Tempo (segundos) em que ∆T
permaneceu acima de 3 °C.
Termopares/
Velocidades
Vel 2 cm/seg. Vel 4 cm/seg Vel 6 cm/seg
∆T Max
(°C)
∆t (s)
acima de
3 °C
∆T Max
(°C)
∆t (s)
acima de
3 °C
∆T Max
(°C)
∆t (s)
acima de
3 °C
-30 mm 1,4 0 1,5 0 2,8 0
-20 mm 3,1 26,4 1,8 0 4,7 645,8
-10 mm 1,9 0 1,6 0 3,1 232,4
central 2,0 0 1,7 0 2,5 0
10 mm 1,9 0 1,8 0 3,0 82,4
20mm 2,1 0 2,0 0 4,5 645
30 mm 1,4 0 1,5 0 2,8 0
* Os dados sombreados são referentes aos termopares que registraram uma variação de temperatura acima
de 3 °C por mais de 300 segundos (5 minutos).
Para esta aplicação, os limiares pré-estabelecidos foram atingidos apenas em um caso.
42
CAPÍTULO 5
DISCUSSÃO
Este trabalho teve como motivação básica a carência de informações científicas
sobre os padrões de aquecimento gerados pela aplicação de ultrassom em
procedimentos fisioterapêuticos. Foi proposto e elaborado um phantom contendo uma
matriz de termopares que permite o registro das temperaturas produzidas pelos
protocolos de aplicação da terapia. Foram estudados três protocolos básicos: estático,
movimento circular e movimento longitudinal; porém com variações de tempo e
intensidade para os protocolos estáticos, de área e velocidade para os movimentos
circulares e de velocidade para os movimentos longitudinais.
Inicialmente foi proposto um protocolo em que o transdutor margeasse o
perímetro do tubo, porém, observou-se que nesta aplicação o centro do transdutor
passaria entre os termopares localizados a 2 e 3 cm do centro. Desta forma, os critérios
para comparação entre este e os outros protocolos não seriam equivalentes, pois, nos
outros casos, o centro do transdutor sempre passa sobre um dos termopares. Assim,
decidiu-se excluir este protocolo.
Sobre a metodologia utilizada neste estudo, pode-se apontar algumas
observações: (i) Os termopares idealizados e confeccionados para este trabalho
apresentam a desvantagem de ser frágeis à manipulação, correndo o risco de se
romperem durante a retirada do material mimetizador de dentro do tubo; (ii) o material
mimetizador não apresentou uma vida útil longa, sendo que, para este estudo, utilizou-
se o mesmo phantom por no máximo 6 dias, sendo então substituído por um novo, já
que não é possível garantir suas propriedades após este período; (iii) o tubo foi feito de
alumínio, assumindo-se a hipótese de que, sendo um material com características
condutoras de calor, não concentraria o calor produzido no interior do phantom,
permitindo que o mesmo fosse transmitido ao meio externo por condução. Esta escolha
foi baseada em experiência prévia realizada neste laboratório com um tubo de PVC
(OMENA et al, 2007). Porém não foi considerada a possibilidade de que a característica
refletora do alumínio à onda ultrassônica pudesse influenciar nos protocolos realizados,
em especial naqueles que se aproximaram da borda do phantom; (iv) todos os
experimentos tiveram como temperatura inicial a temperatura ambiente, que era medida
por um termopar externo ao sistema experimental e variava em média 0,5 °C
43
Em algumas aplicações, houve erro de leitura de um dos termopares, ou por
excesso de ruído ou mau contato com o adaptador do SPIDER 8, muitas vezes causado
pelo gel ou pela água usada no experimento que oxidavam as extremidades dos
termopares. Quando este erro ocorreu em um dos termopares simétricos, optou-se por
utilizar os dados do termopar correspondente contralateral. Quando ocorreu com o
termopar central, os dados foram descartados e as aplicações realizadas novamente.
Em relação às aplicações estáticas, pode-se observar que o aquecimento se
apresenta de forma decrescente do centro para as bordas e com certa simetria (para 5 e
10 minutos). Para as aplicações com 5 minutos (Tabela 4.1.1), pode-se observar que
somente o termopar central (e nas duas maiores intensidades) alcançou os parâmetros de
tratamento estabelecidos neste estudo. Sabendo-se que os protocolos com
movimentação do transdutor implicam aquecimento de uma área maior, estes foram
implementados sempre com 10 minutos, uma vez que as aplicações com 5 minutos
mostraram-se ineficazes.
Já para o protocolo estático com 10 minutos (Tabela 4.1.2), apesar de certa
assimetria nos resultados, o aquecimento ocorreu no termopar central e naqueles
localizados a 10 mm deste (menos para a intensidade de 0,5 W/cm
2
). Sabendo-se que o
feixe do US tem simetria cilíndrica (em princípio), pode-se supor que uma área circular
com raio de 10 mm a uma profundidade de 2 cm em relação à superfície de aplicação
comporte-se da mesma forma. Neste ponto vale notar duas observações importantes, a
primeira é que esta área é menor que a da face do transdutor e a segunda é que o
termopar central ultrapassou os limites de segurança biológica (8 ºC), tomando-se a
temperatura corporal como 37 ºC, nada se podendo afirmar sobre o meio que está entre
a face do transdutor e o termopar. No que se refere aos outros termopares, todas as
médias ficaram abaixo de 8ºC. Porém para um dos experimentos (Estática 10 min.
2W/cm
2
), o termopar 10 mm ultrapassou este valor em uma das amostras.
Diante destes resultados com o transdutor estático, optou-se por executar a
aplicação dos outros protocolos somente com a intensidade de 2 W/cm
2
, por haver
apresentado maior produção de calor, levando-se novamente em conta que a
movimentação do transdutor implicaria tratar uma área maior, mantendo o mesmo fluxo
de calor.
De acordo com a equação sugerida por TER HAAR (1987) apud CAMBIER et
al. (2001), para a freqüência de 1 MHz e intensidade de 1,0 W/cm
2
espera-se aumento
de temperatura numa taxa média de 0,8 ºC/min., porém não relata a profundidade deste
44
aquecimento. CAMBIER et al. (2001), em experimento com cadáver, posicionaram
termistores a 1 cm, 3 cm e 5 cm de profundidade e registraram aumento de 1,49, 0,37 e
0,09 ºC por minuto, respectivamente, usando a intensidade de 1 W/cm
2
e tempo de
10 min., em aplicação estática, com a frequência de 1 MHz.
Nas mesmas condições (frequência e intensidade), porém a 2 cm de
profundidade, o cálculo da taxa de aquecimento deste experimento foi de 0,6 ºC/min., o
que parece ser coerente com os resultados dos experimentos feitos por CAMBIER et al.
(2001), já que espera-se que os valores sejam decrescentes à medida que a profundidade
aumenta.
ATKINS & DUCK (2003) realizaram um experimento com ultrassom
terapêutico de 3 MHz, modo pulsado 1:4, numa intensidade de 1,0 W/cm
2
de forma
estática sobre um phantom que mimetiza as propriedades térmicas e acústicas dos
tecidos. Após 10 minutos de insonação, observou-se que o aumento máximo de
temperatura foi de 0,8 ºC à profundidade de 1 cm
No presente estudo, na varredura longitudinal (Tabela 4.2.1), o aquecimento
aconteceu de forma mais uniforme em todos os termopares, com um aquecimento maior
nas bordas do phantom nas velocidades de 2 e 4 cm/s. Pode-se supor algumas
explicações para este comportamento: (i) primeiramente, o tubo de alumínio poderia
estar agindo como um refletor da onda ultrassônica, apesar de ser um bom condutor de
calor, apresenta uma alta impedância acústica em relação ao material do phantom; (ii)
outra explicação seria o fato de que na varredura longitudinal, ao se mudar o sentido do
movimento (ida e volta), há uma pequena parada do transdutor nas extremidades.
Esta forma de aplicação promoveu boa uniformidade em relação à distribuição
do calor, porém não alcançou os limiares dos parâmetros propostos neste experimento.
Provavelmente devido à não adequação do tempo de aplicação em relação à área do
phantom delimitada pela máscara. Conforme a sugestão encontrada em várias
referências (GREY, 2003, DEMMINK & HELDERS, 2003, CAMERON, 1999,
IBRAMED, 2005, KW, 2005), o tempo de aplicação deve estar relacionado ao tamanho
da área de tratamento, assim como ao tamanho da ERA do transdutor. Seria interessante
futuramente, testar esta forma de aplicação com uma área menor ou um tempo maior
para verificar esta possibilidade.
Na aplicação com máscara pequena (Tabela 4.3.1), onde foi planejado que o
centro do transdutor passasse sobre os termopares localizados a 10 mm do centro, foram
obtidos os resultados mais semelhantes aos encontrados na literatura, com um
45
aquecimento maior no centro e decrescente em direção às bordas nos três protocolos
feitos com esta máscara. A velocidade que proporcionou maior aquecimento com mais
longa duração em relação às outras duas foi a de 2 cm/s, sendo que a diferença foi
menor entre as velocidades de 4 e 6 cm/s.
Nesta forma de aplicação, seria possível supor que uma área aproximadamente
circular com raio de 10 mm e a 2 cm de profundidade em relação à superfície de
aplicação teria alcançado os limites terapêuticos pré-estabelecidos para este estudo, em
todas as velocidades testadas, sendo que os melhores resultados foram obtidos com a
velocidade de 2 cm/s. Os resultados mais semelhantes ao desta varredura foram os da
aplicação estática por 10 minutos na intensidade de 2 W/cm
2
, com a vantagem de que,
na aplicação com movimento, os valores médios do termopar central não ultrapassaram
o limite de segurança, que seria 8ºC. Em duas amostras o termopar central registrou
variação de temperatura acima deste valor.
Um outro estudo comparou a aplicação estática do US terapêutico contínuo a 2
MHz e 2 W/cm
2
em tecido suíno com a aplicação em movimento circular a 3 cm/s, em
uma área que representava o dobro da ERA. A imagem térmica foi adquirida e permitiu
observar que na aplicação estática, havia duas zonas de hiperaquecimento, uma no
tecido subcutâneo e outra no osso. Já na aplicação com movimento, a zona de
hiperaquecimento se limitou à região subcutânea. Concluíram que o movimento do
transdutor evita os picos de aquecimento causados pela geometria dos tecidos,
principalmente o osso. Entretanto observaram que, quando a área de tratamento
corresponde ao dobro da ERA, a simples duplicação do tempo de tratamento não
garante a homogeneidade do aquecimento, pois uma área central recebe o feixe
continuamente e, portanto, aquece mais que a periferia. Para garantir um aquecimento
mais homogêneo, a área deveria ser o quádruplo da ERA (com o tempo respectivamente
multiplicado por quatro), pois desta forma o feixe não passaria continuamente sobre o
centro da região tratada (DEMMINK & HELDERS, 2003).
Os resultados deste trabalho mostram que mesmo a área irradiada sendo próxima
do quádruplo da ERA (no caso a relação Área/ERA é 3,77), o centro permanece
aquecendo mais do que a periferia, contradizendo a suposição de DEMMINK &
HELDERS (2003). Pode-se pensar que o não aquecimento da periferia deva-se ao fato
de haver uma área maior exposta ao resfriamento por condução, enquanto que o centro
apresenta dificuldade em perder calor.
46
Na aplicação com máscara grande (Tabela 4.4.1), onde o centro do transdutor
passa sobre os termopares localizados a 20 mm do centro, o aquecimento maior foi
observado exatamente nestes termopares, seguidos por aqueles localizados a 10 mm e
pelo central. Apenas o protocolo com velocidade de 6 cm/s. alcançou os limites
estabelecidos, sendo que isto aconteceu apenas nos termopares a 20 mm do central. A
área como um todo não foi aquecida acima dos limiares esperados. Pode-se supor, pelas
características da varredura, que o aquecimento dentro dos parâmetros aconteça em uma
área semelhante a um anel com centro localizado no termopar central. A espessura exata
desta faixa de aquecimento não é possível de ser estabelecida, acredita-se que esteja em
torno de 1 cm e sabe-se que não é maior do que 2 cm, já que os termopares adjacentes
não registram variações de temperatura dentro dos parâmetros estabelecidos. A
diferença entre os resultados com a máscara pequena e a média em relação à área de
aquecimento observada pode ser devida principalmente ao fato de se ter mantido o
mesmo tempo de aplicação, mesmo com o aumento da área. São necessários, portanto,
novos experimentos que busquem uma melhor adequação do tempo de aplicação para a
área desta máscara.
Alguns resultados dos protocolos com máscara grande chamam atenção e
merecem ser comentados: o maior aquecimento foi obtido pela movimentação com
velocidade de 6 cm/s, ao contrário da aplicação com máscara pequena, onde o maior
aquecimento aconteceu com a velocidade 2 cm/s. O segundo maior aquecimento obtido
neste protocolo foi com a velocidade de 2 cm/s. Com base nestas observações, observa-
se que a relação velocidade/aquecimento possa ter um comportamento não-linear.
Apesar de o phantom utilizado neste trabalho apresentar propriedades térmicas e
acústicas semelhantes às dos tecidos moles, existem algumas limitações que merecem
ser destacadas: (i) a primeira delas se refere ao fato de que o resfriamento local
realizado pelo fluxo sanguíneo não está sendo representado no modelo experimental. (ii)
outra questão a se considerar, seria o fato de que, por baixo do phantom desenvolvido
havia uma placa absorvedora, posicionada propositalmente
para evitar
hiperaquecimento devido à reflexão da onda ultrassônica. Em situações reais de
aplicação em animais ou em seres humanos, a menos que a aplicação seja feita na
porção baixa do tronco (região lombar) lateralmente às vértebras, a onda ultrassônica
sempre encontrará à sua frente uma camada óssea, que é altamente refletora e também
atenuadora. Há muito se sabe que o ultrassom aquece de forma mais intensa a interface
osso/tecidos moles. Um estudo de BENDER et al (1953) utilizou termopares nas
47
corticais e medulas ósseas de cães e aplicava US de forma estática e dinâmica,
realizando testes com US pulsado (em diferentes ciclos de carga) e contínuo. Seus
resultados já mostravam que tanto a cortical óssea como a medula eram aquecidas muito
acima das médias dos tecidos moles e que, apesar de as aplicações com US pulsado e
aplicações com movimento gerarem um aumento menor da temperatura nestes pontos, o
aquecimento ósseo existia. Portanto, é possível crer que, em situações de aplicação in
vivo haja não só um aumento da variação de temperatura causado por reflexão da onda
pelo osso como também um hiperaquecimento da interface osso/tecido mole, bem como
dos tecidos ósseos em geral. Este aquecimento será diferente de região para região do
corpo, assim como de indivíduo para indivíduo, devido às características teciduais, ou
seja, à quantidade e espessura das camadas interpostas entre a superfície de aplicação e
o osso. DEMMINK & HELDERS, (2003) também encontraram diferença no
aquecimento ósseo devido ao formato da superfície óssea. Em ossos onde a superfície
sobre a qual a onda ultrassônica incidia era convexa, o ponto de maior aquecimento se
localiza dentro do próprio osso, enquanto que nos ossos que recebiam a incidência do
US sobre uma superfície côncava, o ponto de maior aquecimento ocorre nos tecidos
moles à frente do osso, sugerindo que o formato da superfície óssea pode gerar uma
reflexão focalizada da onda ultrassônica.
Como o principal objetivo foi estudar o padrão de movimento e sua influência
sobre a distribuição de calor, e não os limites de aquecimento, os resultados aqui
obtidos são úteis na construção do conhecimento sobre a forma de aplicação do US em
Fisioterapia.
Uma possibilidade de seguimento deste estudo seria planejar um modelo que
levasse os efeitos do resfriamento em consideração. Outra sugestão de aprimoramento
desta pesquisa seria a de estudar os padrões de aquecimento em phantom com camadas
de diferentes coeficientes de absorção e atenuação, como acontece nos tecidos humanos.
48
CAPÍTULO 6
CONCLUSÃO
Foi elaborado um protocolo para avaliação dos padrões de aquecimento gerados
por manobras terapêuticas de ultrassom em Fisioterapia. Para utilização deste protocolo
foi projetado e construído um phantom que monitora constantemente a temperatura,
com sete termopares. O phantom contém um material mimetizador das propriedades
acústicas e térmicas dos tecidos biológicos.
Foram testados três protocolos de aplicação, sendo um estático e dois dinâmicos.
Os resultados com protocolo estático permitem conhecer o padrão de
aquecimento para transdutor de 1 MHz nas intensidades de 0,5/1,0/1,5/2,0 W/cm
2
,
como também o tempo de duração do aquecimento em níveis terapêuticos (e até acima
deste). Neste caso foi possível observar que o tempo de 5 minutos não é suficiente para
gerar uma variação acima de 3 ºC na temperatura, por no mínimo 5 minutos. Já no
tempo de 10 minutos, estes valores podem ser alcançados a 20 mm de profundidade em
uma área circular com um raio de aproximadamente 10 mm utilizando-se intensidades a
partir de 1,0 W/cm
2
no modo contínuo.
Os protocolos dinâmicos mostraram que o melhor aquecimento para a
freqüência 1 MHz, intensidade de 2 W/cm
2
, e tempo de 10 minutos, foi obtido com a
varredura circular em uma área 3,77 vezes o tamanho da ERA na velocidade de 2 cm/s,
sendo que, apesar de a área se aproximar do quádruplo da ERA, o aquecimento é maior
no centro do que na periferia.
O protocolo que obteve menor variação entre os termopares foi o que utilizou
varredura longitudinal, porém, o tempo e a intensidade utilizados neste estudo não
foram capazes de gerar aquecimento em níveis terapêuticos.
Portanto, conclui-se que o aquecimento por US de tecidos biológicos é altamente
dependente dos parâmetros em jogo e das particularidades para cada caso, e, portanto,
dada a variedade atual dos modos de aplicação de US em fisioterapia, é bem provável
que em muitos casos a temperatura em nível terapêutico não esteja sendo alcançada
enquanto que em outras situações possa estar ocorrendo hiperaquecimento nas
interfaces dos tecidos moles com os ossos.
É importante, portanto que se faça um estudo controlado dos protocolos
terapêuticos em voga, para que se estabeleçam as bases para uma aplicação eficaz deste
recurso terapêutico.
49
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52
ANEXO I
Curvas de Calibração dos Termopares
O experimento para calibração dos termopares foi realizado de forma contínua,
sendo que o registro dos dados do experimento foi dividido em dois arquivos, apenas
devido à limitação de capacidade de armazenamento de dados do software utilizado. A
partir de cada um dos bancos de dados foi gerada uma curva de calibração. É importante
observar que a segunda curva é apenas a continuação da primeira, embora o tempo
tenha sido zerado automaticamente pelo software.
Os valores de tensão aplicada à resistência, bem como as temperaturas
registradas pelo termopar de referência durante o tempo do experimento foram
organizados em duas tabelas, uma para cada arquivo de dados. Os valores sombreados
foram os dados registrados nos momentos utilizados para traçar as retas de regressão
citadas no texto, bem como para elaboração da coluna de referência na tabela 4.1.
Tabela A – Valores de tensão, temperaturas de referência e tempo em segundos da
primeira parte do experimento de calibração.
Voltagem Temperatura
de referência
Tempo (em
segundos) da
amostra
0 26,7 845
0 26,4 1300
0 26,2 2400
40 26,2 2460
40 27,9 3780
40 28,7 4600
40 29,2 5720
40 29,3 6150
60 29,3 6190
60 31,5 7450
60 32,2 8100
60 32,6 8600
60 33,2 9600
53
Tabela B - Valores de tensão, temperaturas de referência e tempo em segundos da
segunda parte do experimento de calibração.
Voltagem Temperatura
de referência
Tempo (em
segundos) da
amostra
60 33,5 150
60 33,6 940
80 33,7 990
80 34 1240
80 36,2 2200
80 37,7 3300
80 38,1 3700
80 38,3 4100
120 38,4 4140
120 43,2 4960
120 46,6 5580
120 49,2 6270
120 50,3 6670
120 50,8 6970
120 51,7 7570
120 52,3 8170
120 52,6 8470
120 52,6 8570
54
Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download:
Baixar livros de Administração
Baixar livros de Agronomia
Baixar livros de Arquitetura
Baixar livros de Artes
Baixar livros de Astronomia
Baixar livros de Biologia Geral
Baixar livros de Ciência da Computação
Baixar livros de Ciência da Informação
Baixar livros de Ciência Política
Baixar livros de Ciências da Saúde
Baixar livros de Comunicação
Baixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNE
Baixar livros de Defesa civil
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Baixar livros de Direitos humanos
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Baixar livros de Educação - Trânsito
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Baixar livros de Farmácia
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Baixar livros de Geografia
Baixar livros de História
Baixar livros de Línguas
Baixar livros de Literatura
Baixar livros de Literatura de Cordel
Baixar livros de Literatura Infantil
Baixar livros de Matemática
Baixar livros de Medicina
Baixar livros de Medicina Veterinária
Baixar livros de Meio Ambiente
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Baixar Monografias e TCC
Baixar livros Multidisciplinar
Baixar livros de Música
Baixar livros de Psicologia
Baixar livros de Química
Baixar livros de Saúde Coletiva
Baixar livros de Serviço Social
Baixar livros de Sociologia
Baixar livros de Teologia
Baixar livros de Trabalho
Baixar livros de Turismo
