Análise da corrente elétrica para supervisão de segurança em equipamentos eletromédicos durante procedimento cirúrgico

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1 Análise da corrente elétrica para supervisão de segurança em equipamentos eletromédicos durante procedimento cirúrgico L.E.S. Spalding 1, P.J. Abatti 2, M.T.Rebonatto 1, A. B. Rosa 1, T. Hall 1, F. Maraschin 3, R Bilibio 4 1 UPF- Universidade de Passo Fundo, RS, Brasil 2 Cefet-PR, Curitiba, PR, Brasil 3 Elomed, Passo Fundo, RS, Brasil 4 Hospital São Vicente de Paulo de Passo Fundo, RS, Brasil Resumo - Descreve-se o funcionamento do software desenvolvido para integrar um sistema de controle patrimonial e de segurança elétrica para aplicação em equipamentos eletromédicos. O software captura, pela porta serial, e armazena informações de um circuito eletrônico colocado no interior de uma caixa de tomadas. Esta caixa contém circuitos eletrônicos capazes de capturar, por radiofreqüência, o número patrimonial do equipamento eletromédico conectado a sua tomada, assim como obtém dados sobre a forma de onda da corrente elétrica que circula pelo equipamento eletromédico. Aplicando-se a transformada rápida de Fourier (FFT) nesta forma de onda, busca-se um método que proporcione a identificação de quais equipamentos estão provocando acidentes durante procedimentos cirúrgicos. Esta inovação esta protegida pela patente brasileira PI Palavras-chave: Equipamento eletromédico, segurança elétrica, FFT. Abstract The operation of a software developed to control a electromedical equipments management system, including patrimonial and electric safety aspects, is described. The software registers, through the srial input, stores the datas sent by an electronic circuit located inside the power supply connectors box. These circuits receive, using a radiofrequency link, the patrimonial number of the equipment which is being powered, and simultaneously register the current waveform. Applying the fast Fourier transform (FFT) on this current waveform the equipments which are presenting safety problems during the surgeries can be identified. This innovation is protect by the Brazilian patent PI Key words: Electromedical equipment, electrical safety, FFT. Introdução A prática da medicina utiliza em larga escala equipamentos eletro-eletrônicos para auxiliar os médicos nos diagnósticos e terapias. Embora o controle de qualidade de fabricação destes equipamentos eletromédicos esteja evoluindo, assim como o gerenciamento da manutenção corretiva e preventiva, ainda há riscos envolvendo o seu uso em salas cirúrgicas. Acidentes podem ocorrer, mesmo quando todas as normas de segurança tenham sido aplicadas [1]. Esta afirmação se baseia no fato de que os equipamentos eletro-eletrônicos estragam quando estão sendo utilizados e não seria diferente para os equipamentos eletromédicos, que estão em uso durante as cirurgias. Para diminuir o risco de um acidente provocar danos maiores aos pacientes, produziu-se um sistema de controle automático patrimonial e de segurança elétrica para equipamentos eletromédicos. Este produto, protegido pela patente brasileira PI , concedida em 31 de maio de 2004, é composto por um hardware, baseado em microcontrolador eletrônico e um software que se comunica com o hardware pela porta serial [2] do computador. Neste documento, será descrito o funcionamento deste software. Para melhor compreensão do sistema desenvolvido, em seguida será feita uma breve revisão sobre o fornecimento de energia elétrica durante o funcionamento dos equipamentos eletromédicos. A geração de energia elétrica no Brasil para uso residencial, comercial ou industrial é feita por meio de geradores que produzem uma tensão elétrica alternada que varia de forma senoidal na freqüência de 60 ciclos por segundo (60 Hertz), ou seja, um ciclo em 16,7 milisegundos, aproximadamente. A energia chega aos grandes transformadores na periferia das cidades onde as centrais de distribuição encarregam-se de levá-las até as ruas e, por sua vez, aos transformadores de

2 baixa tensão que alimentam as moradias com seus eletrodomésticos. Da mesma forma são alimentados as indústrias e os estabelecimentos comerciais e de serviços. Ao ser disponibilizada esta energia, o fornecedor ou concessionária, deve ter o cuidado de manter estável a tensão elétrica de 110, 127 ou 220 Volts (V) e a freqüência de 60 Hertz (Hz), pois os diversos equipamentos são fabricados para operar nestas condições. Cada equipamento, por sua vez, mesmo operando em uma tensão padrão, como 220 V, e com uma freqüência de 60Hz, consome uma corrente elétrica com características peculiares, sendo diferente de um tipo de equipamento para outro. A forma de onda da corrente terá um formato senoidal se o equipamento for, por exemplo, uma lâmpada incandescente, cujo circuito elétrico é uma simples resistência elétrica de fio metálico. Entretanto, a forma de onda da corrente pode ser diferente do formato senoidal, deformando-se de acordo com o circuito eletro-eletrônico interno do equipamento que está utilizando esta energia. Um monitor de vídeo de computador, por exemplo, tem uma forma de onda da corrente elétrica diferente de uma forma senoidal. Assim como a lâmpada e o monitor, os equipamentos eletromédicos, isto é, aqueles equipamentos utilizados nos hospitais e clínicas, que necessitam de energia elétrica para funcionar, tem suas formas de ondas de corrente elétrica bem definidas. Outra característica importante no uso de energia elétrica por equipamentos, incluindo também os eletromédicos, é a capacidade de não permitir que a corrente elétrica de 60 Hz circule por caminhos diferentes do caminho seguro, que é através dos condutores fase e neutro. Uma situação segura está apresentada na figura 1 e uma situação de risco, na figura 2. Figura 1 Situação segura Figura 2 Situação de risco. Uma situação de risco pode ocorrer se parte da energia elétrica que alimenta um equipamento é transferida para outro equipamento ou para outro local, passando pelo corpo de uma pessoa. Esta pessoa pode perceber esta energia sentindo que uma corrente elétrica está percorrendo seu corpo. A instalação elétrica que alimenta o equipamento pode perceber esta fuga de energia medindo os valores das correntes de fase e de neutro. Se a corrente de fase (I F ) é diferente da corrente de neutro (I N ), ocorre então uma corrente diferencial (I d ). Na figura 2, sugere-se, em um caso especial e de interesse deste trabalho, que a corrente resultado da diferença entre fase e neutro esteja passando por uma pessoa e se dirigindo a terra. Nesta situação, a pessoa está sofrendo um choque elétrico e pode ocorrer um sério dano a saúde, inclusive a morte. Isto pode ocorrer também durante uma cirurgia. A figura 3 apresenta uma situação típica de um paciente (A) sendo submetido a uma cirurgia. Na figura pode-se observar que os equipamentos eletromédicos: monitor cardíaco (B), desfibrilador (C) e bisturi elétrico (D), estão ligados ao paciente e são manipulados, ou operados, pela equipe médica (E). A caixa de tomadas (I), identifica automaticamente o equipamento eletromédico através de sua placa patrimonial colada no plugue (H) e captura e armazena as formas de onda das correntes de fase de cada equipamento ligado na caixa. As informações são repassadas para o computador pelo cabo serial ligado ao conector (G). É por meio destas formas de onda que o software apresentado neste trabalho faz a análise de desempenho destes equipamentos durante uma cirurgia, ou seja, em tempo real. Esta análise de desempenho pode ser ampla, mas neste trabalho será apresentada uma aplicação que está direcionada à questão de segurança do paciente contra choque elétrico durante a cirurgia.

3 Figura 3 - Desenho retirado do texto da patente PI Para que este sistema de segurança funcione, o software deve identificar, automaticamente, qual equipamento (B, C ou D) está ligado à qual tomada de uma das caixas e também descobrir de qual caixa de tomada está sendo feita a identificação. Na Figura 3 é mostrada apenas uma caixa (I) com três tomadas e os três plugues que serão ligados às tomadas. Quando ocorrer uma falha elétrica em que a corrente de fase e a corrente de neutro sejam diferentes, o sistema deve acionar automaticamente uma leitura de todas as correntes dos equipamentos eletromédicos ligados ao paciente que está nesta sala cirúrgica. Estas correntes são analisados por técnicos da área de Eletrônica, utilizando métodos e ferramentas matemáticas, como análise no tempo e em freqüência (FFT). Por esta razão o software deve permitir esta análise. A decisão do técnico é baseada nas informações obtidas pelo software e poderá ser, por exemplo, determinar que os equipamentos B e C seja substituídos pois são eles que estão provocando o problema, e não o equipamento D. A seguir será descrito como o software realiza algumas destas funções, já implementadas. Metodologia O software, desenvolvido em Delphi [5], é capaz de: 1) Cadastrar os equipamentos: Primeiramente, solicita ao usuário que seja construído um cadastro de todos os equipamentos eletromédicos que poderão ser conectados ao paciente em procedimentos cirúrgicos. Neste cadastro, além dos dados normais de identificação

4 de marcas, modelos e outros, há, também, uma captura do número patrimonial do equipamento, feita através de um circuito eletrônico de identificação por radiofreqüência (RFID) que está colocado dentro da caixa de tomadas. O número patrimonial está codificado no interior do circuito integrado plastificado em forma de disco [3] e colado ao plugue (Figura 3, H) do equipamento eletromédico. Além disto, também é realizado um cadastro de formas de onda da corrente elétrica que alimenta este equipamento eletromédico. Estas formas de onda são obtidas através de uma série de capturas de um conversor Analógico/Digital que está dentro do circuito eletrônico da caixa de tomadas (figura 3 -I). A cada 256 capturas, obtémse uma amostra (16,7 milisegundos) de uma forma de onda da corrente elétrica diferencial quando o equipamento eletromédico está ligado em uma das suas possíveis situações de uso. 2) Realizar uma operação matemática: a transformada rápida de Fourier (FFT). A Fast Fourier Transform (FFT) é uma ferramenta de análise matemática [4] que, nesta aplicação, recebe a seqüência de 256 bytes, que representam a variação da corrente diferencial em 16,7 milisegundos e devolve outra seqüência de bytes. Esta outra seqüência é composta por números complexos, na forma (x + jy) que representam amplitudes e fases de cada uma das componentes senoidais que compõem o sinal da corrente diferencial original. Desta forma obtém-se uma impressão digital da corrente diferencial, baseada na amplitude de cada uma das 32 harmônicas obtidas pela operação matemáticas FFT. Esta impressão digital baseada nas amplitudes das harmônicas, assim como o próprio conjunto de 256 bytes obtido em 16.7 milisegundos, é utilizado pelos técnicos para fazer as comparações destas amostras obtidas durante a cirurgia com as amostras consideradas padrão por terem sido obtidas em condições ideais de funcionamento. 3) Realizar comparações entre as amostras obtidas durante a cirurgia e as cadastradas Neste software apenas é realizada uma comparação visual entre as amostras obtidas durante a cirurgia e as cadastradas com o status de padrão. As duas formas de comparação são: a) comparar o gráfico da amostra da corrente variando Figura 4 Forma de onda da corrente diferencial em função do tempo com período de 16,7 milisegundos (esquerda acima). A direita, as principais harmônicas e a fundamental, e abaixo, a representação das amplitudes normalizadas destas harmônicas em função da freqüência.

5 no tempo de 16,7 milisegundos e; b) comparar o gráfico das amplitudes das harmônicas, como mostrado na Figura 5. Um software especializado em reconhecimento de padrões poderá ser utilizado para aumentar o conjunto de resultados se isto for necessário. 4) Receber os dados da caixa de tomadas, automaticamente, em caso de acidentes. O software e o circuito eletrônico da caixa de tomadas estão preparados para abrir comunicação automática quando a corrente diferencial ultrapassar um valor estipulado. Isto ocorre quando parte da energia que alimenta o equipamento é desviada indevidamente para outra parte da sala cirúrgica. Se este desvio ocorrer através do paciente pode ocorrer uma parada cardiorespiratória ou um desconforto ao paciente que pode ser observado pela equipe médica. Se os técnicos forem alertados pelo software sobre um problema no equipamento e a equipe médica observar uma parada ou um desconforto ao paciente, as atitudes serão orientadas para a solução do problema nos equipamentos envolvidos e não apenas nas condições de saúde do paciente. Resultados O software foi utilizado no Centro de Engenharia Biomédica do Hospital São Vicente de Paulo de Passo Fundo, Rio Grande do Sul, Brasil, criado em 1991, e pode-se dizer que apresentou resultados satisfatórios. Ele foi eficiente ao realizar: a) o cadastro utilizando a leitura do patrimônio por RFID; b) a apresentação dos dados na tela para visualização da forma de onda distribuída no tempo e em freqüência (FFT), como mostrado na Figura 4; c) apresentar as comparações entre os padrões armazenados e as formas de onda obtidas durante a cirurgia em duas formas solicitadas pelos técnicos, como mostrado na figura 4 e; 5) a captura automática de uma amostra quando a corrente diferencial ultrapassa 1 ma. Entretanto, a equipe que desenvolveu o software e que analisou seu desempenho chegou à conclusão que o uso da entrada serial não foi uma boa escolha. De fato isto atrasou o projeto. Entende a equipe que desde o início a escolha deveria ser outra. Por esta razão, a

6 implementação do sistema composto por duas caixas de tomada, com 4 tomadas em cada caixa, ainda deverá aguardar a versão do equipamento e software para o sistema de intranet do hospital. O próximo desafio está sendo implementar o sistema de varredura de caixas de tomada utilizando cada uma um endereço internet protocol, IP. Discussão e Conclusões Entre vários temas para discussão, dois em especial merecem mais atenção. O primeiro referese a escolha pela equipe das ferramentas para comparação entre as formas de onda obtidas e às consideradas padrão. Os resultados obtidos com estas ferramentas matemáticas já permitem perceber que é possível distinguir claramente entre uma impressão digital de um monitor marca x e um eletrocautério marca y. Ocorreu também uma boa repetibilidade quando foram realizadas capturas em diferentes dias, horários e condições climáticas. Por esta razão a equipe acredita que será possível implementar outras ferramentas mais especializadas do que estas, utilizadas neste software, para permitir uma profundidade e especificidade de análise capaz de prever a degradação do sistema de segurança elétrica do equipamento eletromédico. Se isto se verificar eficaz, poder-se-á reestruturar os sistemas de manutenção preventiva, corretiva e de segurança elétrica nos hospitais, baseados na análise das correntes diferenciais e de fase dos equipamentos eletromédicos. A equipe considerou que a patente obtida através do Instituto Nacional de Propriedade Industrial, INPI, após 7 anos de tramitação, não tem como caráter inovador esta possibilidade, por esta razão está escrevendo nova patente com esta característica. O segundo item, considerado importante para discussão, foi a percepção da equipe sobre a implementação de um novo software e um novo hardware similares aos utilizados neste trabalho. Este novo produto seria utilizado para identificação de qual ou quais aparelhos estão com problemas em qualquer ambiente, não necessariamente um hospital, mas um indústria, por exemplo. Também se percebe que a identificação por RFID pode ser desnecessária para estas novas aplicações. Referências [1] Vieira, J.B.M. (1998), Setor de Manutenção de Equipamentos Eletromédicos: Avaliação e Implementação, p.1, Dissertação de Mestrado, Programa de Engenharia Biomédica, CPGEI/Cefet-PR, Curitiba. [2] Mendonça, A., Zelenovsky. P.C. (1999), Um Guia Prático de Hardware e Interfaceamento. 2 ed. Rio de Janeiro: MZ Editora. [3] PHILIPS: Internet site address: /identification /products/hitag/ acessado com senha e autorização da Philips em 03/03/2003. [4] Sampaio,C. Análise em Freqüência, [ Chedas/DiagAvar/2002_2003/AnaFreq.pdf], acessado em [5] Cantu, M. (2000), Dominando o Delphi 5 A Bíblia, Makron Books Referência do Livro Manual do Delphi. Contato Luiz Eduardo Schardong Spalding: spalding@elomed.com.br