PROCAD UFPB/UFBA/UFMA/UFPA Introdução a Instrumentação Biomédica TRANSDUTORES DE FLUXO SANGUINEO

O Sistema Circulatório A circulação tem basicamente a função de atender às necessidades dos tecidos. Conceitos Importantes: Artérias: Transportam o sangue sob alta pressão até as veias; Arteríolas: atuam como válvulas de controle; transporte de nutrientes até aqueles, remoção dos produtos de excreção, manter em todos os líquidos teciduais um ambiente propício à sobrevida e função ótimas das células;

O Sistema Circulatório Capilares: realizam trocas de líquidos e outras substâncias entre o sangue e o líquido intersticial; Vênulas: coletam sangue dos capilares; Veias: funcionam como condutos para o transporte de sangue dos tecidos de volta para o coração. As veias tem paredes finas já que nos sistema venosos presão é muito baixa; podem também se contrair e expandir com facilidade pois são musculares agindo então como um reservatório de sangue extra, a depender das necessidades do corpo.

O Sistema Circulatório Características Físicas do Sangue: É um líquido viscoso composto de células e plasma; O plasma faz parte do líquido extra celular; A viscosidade depende diretamente do hematócrito(quantidade do sangue composta de células). sendo que 99% destas células são vermelhas

O Fluxo Sanguíneo Def.: É a quantidade de sangue que passa por um determinado ponto da circulação num dado período de tempo, normalmente expressa em mililitros ou litros por minuto. o fluxo sanguíneo numa pessoa adulta em repoudo é de 5000 m/minl

O Fluxo Sanguíneo Na equação ao lado: Q é o fluxo sanguíneo; P1 e P2 são as pressões nas extremidades da seção do vaso considerado; R é a resistência vascular que impede o sangue de fluir através do vaso;

O Fluxo Sanguíneo Observemos com atenção o fato de que quem determina a taxa de fluxo não é a pressão absoluta no vaso mas sim o gradiente de pressão entre as duas extremidades.

O Fluxo Sanguíneo Fluxo Laminar; Fluxo Turbulento.

O Débito Cardíaco (DC) Def.: Quantidade de sangue bombeada por cada ventrículo do coração num período de tempo; Assim, a medida do fluxo sanguíneo seria portanto a medida do débito cardíaco; Depende da superfície corpórea do paciente; Valores típicos do DC( Decrescem com a idade do paciente): Homem: 6,0 l/min; Mulher: 5,0 l/min;

Caracterização Desejável para uma Metodologia de Medida de Fluxo Sanguíneo e / ou Monitoração de Pacientes: Rápida e fácil execução; Os resultados obtidos precisam ser confiáveis e reproduzíveis; O paciente não pode sofrer nenhum dano físico quando submetido ao método bem como não deve sofrer reações indesejáveis; Complicações de ordem anestésica e cirúrgica devem ser evitadas;

Método de Diluição do Indicador por Infusão Contínua Esta metodologia não mede o fluxo sanguíneo instantâneo e sim o fluxo sanguíneo médio; Neste caso temos então : Método de Fick;

Método de Fick de Diluição do Indicador Técnica de Fick: Este método diz que o débito cardíaco pode ser relacionado pelo consumo temporal de Oxigênio de um paciente em função da diferença das concentrações arterial e venosa de Oxigênio. Na equação de Fick, ao lado, temos que: V´: fluxo sanguíneo(l/min); (dm/dt): consumo de oxigênio(l/min); Ca: concentração arterial de de oxigênio; Cv: concentração venosa de oxigênio.

Método de Fick (Oxigênio como Indicador) Neste caso, o consumo de oxigênio é medido por um espirômetro, como indicado abaixo:

Método de Fick ( O Oxigênio como Indicador ) A concentração arterial de oxigênio pode ser obtida a partir de uma amostra de sangue colhida em qualquer artéria o que pode ser feito a partir de um cateter a exemplo do que está ilustrado ao lado: Geralmente um artéria do braço ou da perna.

Método de Fick ( O Oxigênio como Indicador ) A Concentração Venosa de oxigênio deve ser obtida a partir de uma amostra de sangue colhida da artéria pulmonar, requerendo assim a introdução de um cateter venoso através de uma veia. Tal exigência decorre do fato de que a concentração de oxigênio no sangue venoso vindo da parte superior do corpo(cérebro) é distinta da consc. De o2 venosa provinda da parte inferior do corpo como os rins e outras.

Método de Fick ( O Oxigênio como Indicador ) Considerações qualitativas sobe o método de Fick Os resultados obtidos por este método são bastante confiáveis e exatos; Requer condições fisiológicas relativamente constantes; Requer muitos minutos para a sua execução; Não fornece o débito cardíaco instantâneo; Constitui um método INVASIVO; Maiores erros na sua aplicação decorrem das alterações rápidas de condições circulatórias a exemplo de uma mudança brusca na ventilação pulmonar.

Adaptações Modernas do Método de Fick NICO(Novametrix Non-Invasive Cardiac Output Monitor)

Método de Diluição do Indicador por Injeção Rápida Método de Diluição do Corante: Avalia o débito cardíaco a partir da curva de diluição do corante, exposta ao lado:

Método de Diluição do Corante Considerações acerca do método: Qualquer ponto do sistema arterial pode ser usado para a retira da do sangue, sendo porém preferencialmente usados a artéria femoral(na coxa) ou ainda a radial( no braço); O local para injeção do corante deve ser adequado já que este determina a forma da curva de diluição; A passagem do indicador pelas veias provoca a dispersão da curva de diluição. Para o local de injeção são preferidos as veias periféricas, átrio direito, ventrículo direito, artéria pulmonar e ventrículo esquerdo.

Método de Diluição do Corante Características desejáveis no corante utilizado: Deve ser inócuo para o paciente; A dinâmica circulatória não deve ser afetada; Deve permanecer no fluxo sanguíneo entre os locais de injeção e amostragem; Deve ser mensurável.

Método de Diluição do Corante Corantes mais usados: Evans Blue: Não tóxico; Seu uso por mais de oito vezes no paciente provoca descoloração da pele; Para a máxima absorção de luz, este corante possui um comprimento de onda de 620mm, acarretando assim interferência da hemoglobina na medida do débito cardíaco;

Método de Diluição do Corante Corantes mais usados: Cardiogreen: Não Tóxico; Para a máxima absorção de luz, este corante possui um comprimento de onda de 805nm; É lentamente eliminado do organismo;

Método de Diluição do Corante O “cuvette” , inserido num espectrofotômetro,mede a concentração do corante a partir do princípio de absorção fotométrica, obtendo assim a curva de diluição;

Método de Diluição do Corante Considerações qualitativas sobre o método: É tão exato quanto o método de Fick; Sua execução é rápida e simples; Apresenta o fenômeno de recirculação do corante.

Método da Termodiluição O princípio deste método é basicamente o mesmo do método de diluição do corante,sendo que agora o indicador é uma solução (salina)fria(soro). Neste caso o débito cardíaco pode ser avaliado segundo a expressão ao lado, na qual: Vi = volume de soro injetado; Tb = temperatura inicial do sangue; Ti = temperatura inicial do soro injetado; K = constante de correção; ∆Tb(t) =variação da temperatura do sangue no loca de deteção.

Método da Termodiluição Procedimentos para a obtenção do Débito cardíaco via termodiluição:

Método da Termodiluição Observações acerca dos parâmetros envolvidos na medida do débito por termodiluição: Volume do soro injetado; Temperatura inicial do sangue; Temperatura inicial do soro injetado.

Método da Termodiluição Considerações sobre a curva de termodiluição: Semelhante à de diluição do corante,sem porém apresentar o segundo pico; É obtida através de um termistor normalmente na configuração ponte de wheatstone; Precaução com a corrente do termistor;

Método da Termodiluição Alguns fatores que acarretam mudanças bruscas na forma da curva de termodiluição: Alterações abruptas na frequência cardíaca; Padrões anormais de respiração; Pequeno volume de soro injetado.

Método da Termodiluição Considerações qualitativas acerca do método: Possibilita medidas simultâneas dos DC’s direito e esquerdo; Permite medidas frequentes já que o indicador é inofensivo; Possui uma reprodutibilidade e exatidão comparáveis aos métodos anteriormente expostos; Apresenta uma baixíssima recirculação do corante.

Método da Termodiluição Considerações qualitativas acerca do método: Não introduz substâncias estranhas na corrente sanguínea; Requer cateterização do coração.

Fluxômetro Eletromagnético Na equação ao lado: e= Força eletromotriz induzida; B= Densidade de fluxo magnético; u= velocidade instantânea do fluxo passando pelo condutor; L= Comprimento entre os eletrodos.

Fluxômetro Eletromagnético Para um fluxômetro ideal, considerando um campo magnético uniforme e um perfil uniforme de velocidade, teríamos então a seguinte expressão: e = Blu (considerando a ortogonalidade dos parâmteros);

Fluxômetro Eletromagnético Comportamento dos fluxômetros reais: Parâmetro que quantifica a diferença entre os fluxômetros ideais e reais: A Sensibilidade do transdutor. Idealmente a sensibilidade seria 1,0 e no caso real menor que 1.0. Ou seja, quanto mais próximo da unidade, mais próximo do ideal é o funcionamento do transdutor.

Fluxômetro Eletromagnético Fatores causadores de erros na medida de fluxo sanguíneo : Quando a condutividade da parede do vaso é maior que a condutividade do sangue a sensibilidade do transdutor diminui; Se há entre os eletrodos e o vaso uma fina camada de fluido, geralmente com condutividade maior que a da parede do vaso, também há um comprometimento na sensibilidade;

Fluxômetro Eletromagnético Fatores causadores de erros na medida de fluxo sanguíneo : Quando o hematócrito aumenta, a condutividade do sangue diminui, reduzindo, em consequência, a sensibilidade do transdutor; O perfil do fluxo sanguíneo, bem como a sua velocidade, interfere no resultado da medida.

Fluxômetro Eletromagnético As sondas utilizadas nos fluxômetros: Característica Principal desejável: “Garantir” a sensibilidade do transdutor; Os eletrodos devem ter uma alta impedância, normalmente são platinizados;

Fluxômetro Eletromagnético Tipos de excitação do fluxômetro: Fluxômetro DC: Há flutuações das tensões na interface do eletrodo com o vaso; Interferência do ECG, cujo espectro de frequência é semelhante ao do fluxo; O ruído do sistema de amplificação torna-se relevante para o “RANGER” de frequência de interesse( 0 a 30 Hz);

Fluxômetro Eletromagnético Tipos de excitação do fluxômetro: Fluxômetro AC: Embora resolva os problemas causados no fluxômetro DC, a excitação AC cria outro problema: a TENSÃO DE TRANSFORMADOR, que se soma à tensão induzida pelo fluxômetro e que, muitas vezes, é maior do que a tensão induzida; A tensão total seria portanto: (V= Vfsenwt + Vt coswt );

Métodos Pletismográficos Medem variações de volume no tempo e, consequentemente, o fluxo sanguíneo. Pletismografia de oclusão Venosa; Pletismografia de impedância elétrica.

Métodos Pletismográficos Pletismografia de oclusão venosa:

Métodos Pletismográficos Pletismografia de oclusão venosa: Procedimentos do Método:

Métodos Pletismográficos Pletismografia de oclusão venosa: Aplicações para o método: Medida não invasiva de fluxo sanguíneo em membros ; Caracterização de trombose venosa.

Métodos Pletismográficos Pletismografia de impedância elétrica: Variações de volume num membro ou tecido devidas ao fluxo de sangue implica em variações da impedância elétrica associada.

Métodos Pletismográficos Após algumas deduções encontramos: Em que: ∆V é a variação mensurável de volume; ρb é a resistividade do sangue; L é o comprimento do cilindro ; ∆Z=[(Zb//Z) –Z];

Métodos Pletismográficos Justificativas para a relação matemática entre a variação volumétrica do tecido com uma impedância elétrica associadas: A expansão das artérias é uniforme; A resistividade so sangue ρb não varia; As linhas de corrente são paralelas às artérias.

Métodos Pletismográficos Considerações sobre a frequência de excitação: São geralmente recomendadas freqüências na ordem de 100 kHz pois: Para um boa relação sinal/ruído são necessárias correntes maiores que 1mA; A impedância da interface entre pele-eletrodo decrescem com o aumento da freqüência; Já em freqüências maiores que 100kHz ocorre o efeito de capacitâncias indesejáveis.

Métodos Pletismográficos Considerações qualitataivas sobre os métodos pletismográfiacos: São não invasivos; Pouco exatos.

Transdutores Ultra-sônicos Os Transdutores ultra-sônicos medem o fluxo sanguíneo instantâneo; Esquema generalizado de um sistema ultra-sônico de medida ou monitoramento de um parâmetro:

Transdutores Ultra-sônicos Os Transdutores Ultra-sônicos Piezoelétricos: Convertem energia elétrica em energia mecânica a partir de um cristal piezoelétrico; Materiais mais usados: Titanato de Barium, Zirconato dentre outros.

Transdutores ultra-sônicos Comportamento de um feixe ultra-sônico: O comprimento de campo próximo é dado por: l = r2/ ג O ângulo θ de divergência no campo afastado é dado por: Θ=arcsen(0,61ג/r) Com: r = raio do transdutor; ג = comprimento de onda;

Transdutores ultra-sônicos O princípio do fluxômetro ultra-sônico Doopler

Transdutores ultra-sônicos Cálculo do deslocamento de Frequência Doopler:

Transdutores ultra-sônicos Cálculo do deslocamento de Frequência Doopler: Consideremos os seguintes parâmetros para a ilustração anterior: fs = frequência da fonte ultrasônica; C = velocidade do som; V = velocidade do sangue; Θ = ângulo que o cristal piezoelétrico faz com o eixo do fluxo sanguíneo; (C -Vcos Θ) = velocidade relativa do som em relação à fonte quando o som é emitido na direção contrária ao fluxo; (C+Vcos Θ) = velocidade relativa do som em relação à fonte quando o som é dirigido na mesma direção do fluxo;

Transdutores ultra-sônicos Se ג é comprimento de onda que é o mesmo nos dois casos, podemos dizer que: ג= (C -Vcos Θ) / fs = (C+Vcos Θ) /fr; Resolvendo esta equação para fr e encontrando ∆f(deslocamento de frequência Doopler), obtemos a expressão final para ∆f: Considerando, para tal, que: C>>V

Modos de visulização dos Tecidos:

Conclusões Abrangência do assunto abordado; Cada um dos métodos abordados merece um estudo detalhado, especialmente a metodologia ultrasônica; Considerações sobre a Radioisotopia;

Bibliografia GUYTON, Arthur C. Tratado de Fisiologia Médica. 8.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1992. 864p. AKAY, M; DEUTSCH, S; WELKOWITZ, W. Biomedical Instruments. 2.ed. San Diego:Academic Press,1992. 377p. BRONZINO, Joseph D. Biomedical Engineering and Instrumentation. 1.ed. USA: PWS Publishers, 481p.