Desfibriladores cardíacos são equipamentos essenciais

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1 Um padrão para a medição da energia de pulso de desfibrilação A exatidão da energia do desfibrilador é fundamental em sua aplicação segura e é requisito de Normas nacionais e internacionais de segurança e desempenho de desfibriladores cardíacos, conforme a norma IEC :2002 [Márcio Bottaro, Vlamir Viana e Ricardo Clemente de Abreu] Desfibriladores cardíacos são equipamentos essenciais no suporte a vida. A desfibrilação cardíaca é entendida como uso terapêutico do choque elétrico, com corrente monopolar ou bipolar de grande amplitude e curta duração, aplicado no tórax ou diretamente sobre o miocárdio [1]. O parâmetro elétrico mais importante, e que é utilizado como referência na aplicação do desfibrilador, é a energia aplicada pelo equipamento ao paciente em Joules [2]. Esta energia é resultante da tensão, corrente e tempo de aplicação de carga de desfibrilação. A medição da energia aplicada no pulso de desfibrilação é um parâmetro de controle de segurança e desempenho destes equipamentos, sendo normalmente a referência em programas de ensaios recorrentes para equipamentos já em uso clínico. Em laboratórios que realizam ensaios de tipo, em conformidade com normas nacionais e internacionais, geralmente relacionados a processos de certificação e avaliação da conformidade de produtos, a medição deste parâmetro não é menos relevante, e leva a uma série de estudos metrológicos relacionados a medição de pulsos de alta tensão. O emprego de analisadores de Energia de desfibriladores, também denominados Joulímetros pela maioria de seus usuários em departamentos de Engenharia Clínica, acaba sendo comprometido em laboratórios de ensaios acreditados pela Rede Brasileira de Laboratórios de Ensaios (RBLE), já que a Rede Brasileira de Calibração (RBC) não apresenta laboratório acreditado para tal grandeza, especificamente nesta aplicação. Normalmente o procedimento laboratorial consiste na aquisição do pulso de alta tensão sobre uma carga considerada não-indutiva e no processamento matemático destes valores para obtenção da energia levando em conta a configuração ideal dos componentes envolvidos. Este processamento normalmente é realizado por osciloscópios digitais ou sistemas de aquisição de dados capazes de processar os sinais com boa resolução em tempo e amplitude. O resultado da energia pode ser expresso como: onde Ut representa os pontos de tensão adquiridos no intervalo de amostragem dt e R é a resistência de carga considerada não indutiva. A experiência de Laboratórios de ensaios, como o da Seção Técnica de Ensaios em Equipamentos Eletromédicos (STEEE) do IEE/USP, na utilização de divisores de alta tensão para medição de sinais pulsados ou mesmo pulsos individuais aponta para uma complexidade no tratamento dos dados que pode tornar-se problemática na medição de pulsos muito curtos com divisores que não apresentam boa resposta em frequência. A avaliação da incerteza de medição nestes processos, levando em conta a resposta em frequên cia destes instrumentos, tem sido estudada frequentemente, mas apenas modelos aproximados de propagação de erros foram apresentados na literatura até o momento [3,4]. Felizmente no caso dos pulsos de desfibrilação, a complexidade da medição da amplitude e a duração de pulso são consideravelmente menores do que em outras aplicações mais complexas de divisores de alta tensão, e o emprego de pontas atenuadoras é suficiente para se obter resultados com boa exatidão em amplitude e tempo, já que estes instrumentos apresentam largura de banda muito mais extensa do que a necessária para este propósito o que resulta em uma resposta quase plana em frequência. Divergências encontradas em ensaios laboratoriais e em ensaios recorrentes efetuados em desfibriladores cardíacos levaram a investigação do comportamento de analisadores de desfibriladores cardíacos e de métodos empregados de forma alternativa para medição da energia do pulso de desfibrilação. Nos circuitos de medição de laboratório, com maior controle metrológico de componentes e instrumentos de medição, verificaram-se tendências de desvios em relação aos analisadores e em relação às informações apresentadas pelos fabricantes de desfibriladores cardíacos sob ensaio. Estes desvios cresciam a medida que cargas menores (1) 54 Dezembro 2010

2 (simulando a impedância de paciente) eram empregadas para verificação da exatidão das informações declaradas nos equipamentos. Juntamente aos analisadores e sistemas de ensaio foram empregados medidores de corrente não invasivos com resposta em frequência adequada aos sinais monitorados. O estudo preliminar foi efetuado com um gerador de pulso de desfibrilação monopolar adaptado especialmente para uso em laboratório, um analisador de segurança com impedância interna de 50 Ω QED-6 da Biotek Instruments Inc., dois sistemas de medição de energia de pulsos de desfibrilação da STEEE que consistem em um sistema independente da carga com uma ponta de prova de alta tensão P6015A da Tektronix, um alicate amperímetro A622 da Tektronix, ambos acoplados a um osciloscópio DPO7000 da Tektronix para aquisição e processamento dos sinais e um sistema simplificado para medição da energia por meio somente da ponta de alta tensão P6015A acoplada ao osciloscópio com dependência da carga utilizada. Os resultados preliminares são indicados junto a Tabela 1. Estes dados foram analisados e verificou-se, por meio do comportamento da tensão e corrente medidos, que a ausência de componentes reativas nas cargas empregadas nos ensaios e nos analisadores de segurança não era totalmente verdadeira, e a resposta indutiva realmente era intensificada a medida que os pulsos eram aplicados sobre cargas com menor resistência (Figuras 1 e 2). Tabela 1. Estudo comparativo preliminar de sistemas de medição Carga (Ω) Seleção (J) Analisador (J) Dependente (J) Independente (J) ,5(9,0) 278,2(9,7) ,6(7,2) 222,2 (7,8) ,7(5,3) 164,4 (5,7) ,2(16,4) 324,72 (9,7) 328,4(11,5) ,0(12,9) 254,08 (7,6) 257,6(9,0) ,0(9,4) 185,23 (5,5) 188,0(6,6) ,0(10,6) 362,4(12,7) ,3(8,3) 286,8(10,0) ,1(6,2) 210,0(7,6) ,4(11,1) 377,1(13,2) ,5(8,9) 301,1(10,5) ,6(6,4) 216,8(7,6) Dezembro

3 Este fato levou ao projeto de um sistema de referência que não sofresse influência de tais parâmetros elétricos e pudesse indicar de forma direta a energia entregue a carga. O sistema proposto é um calorímetro com medição da variação de temperatura por meio de termorresistências que pode ser utilizado como padrão de referência para calibração de analisadores de segurança e sistemas de ensaio laboratoriais. Os calorímetros são empregados como padrões primários e secundários em várias áreas da metrologia. A experiência do IEE/ USP na construção e caracterização destes sistemas [6] levou a construção de um primeiro protótipo a ser empregado como referência nestes ensaios. Este padrão utiliza 4 termorresistências de 4 fios que garantem a detecção do momento exato do equilíbrio térmico do sistema e podem detectar pequenas variações de temperatura provenientes de pulsos de desfibrilação com energias a partir de 40 J. Para o processamento dos sinais, o sistema utiliza 4 multímetros de bancada com medição de resistência a 4 fios, interligados por um sistema de aquisição de dados utilizando a plataforma LabVIEW da National Instruments que incorpora os coeficientes de calibração das termorresistências. A energia pode ser calculada pela equação abaixo: onde mw e cw são a massa e calor específico da água, tf e ti são a temperatura final e inicial da água. Os primeiros resultados mostram boa resolução, exatidão e reprodutibilidade na faixa de 40 a 360 J e esclarecem as divergências encontradas em ensaios em laboratório. O calorímetro empregado na medição da energia do pulso de desfibrilação consiste em um sistema termicamente isolado preenchido em seu reservatório interno com água destilada e deionizada obtida em destiladores empregados em Osmose Reversa (C < 10-8 S), com monitoramento de temperatura por termorresistências que conferem maior exatidão para a determinação da energia entregue ao sistema. O reservatório possui um sistema de paredes isolantes com camada de ar entre as mesmas que reduz a troca de calor com o ambiente. Cargas com resistências entre 25 Ω e 175 Ω são (2) 56 Dezembro 2010

4 inseridas no reservatório interno, ficando submersas em água, e ligações com a menor distância possível de condutores é aplicada. Para garantir menores incertezas no sistema, a energia entregue aos condutores também foi medida para correção de eventuais perdas durante a aplicação do pulso de desfibrilação que se caracteriza por produção de altas correntes. O primeiro protótipo pode ser visualizado na figura 3. As quatro termorresistências são acopladas a quatro multímetros com capacidade de medição a quatro fios, conectados a um sistema de aquisição de dados em plataforma LabVIEW para processamento dos dados e obtenção dos valores de variação de temperatura (Figura 4). Dois sistemas foram avaliados para verificar a eficiência da homogeneização, isolação e estabilidade térmica do sistema: Sistema com fluxo de líquido forçado e Sistema com agitação de líquido externa. Sistema com fluxo de líquido forçado - Neste sistema uma Dezembro

5 bomba de imersão de baixo fluxo e baixa potência é inserida junto ao reservatório interno para garantir a homogeneidade do líquido que sofrerá alteração de temperatura após a entrega de energia à carga. A vantagem deste sistema é a rápida homogeneidade do meio e consequentemente menores perdas térmicas ao longo do processo. No entanto, a contribuição na elevação da energia pela potência de entrada do motor da bomba e pelo atrito provocado pela água e pelos componentes mecânicos da bomba geram maior instabilidade no sistema e tornam seu uso restrito a energias mais elevadas. Devido a estas limitações e desvantagens gerais relacionadas ao maior número de elementos invasivos no sistema (condutores de alimentação da bomba submersa), este sistema não foi aprovado para utilização como padrão. Sistema com agitação de líquido externa - A agitação externa consiste basicamente em uma mesa vibratória operando em baixa vibração, capaz de homogeneizar o líquido interno com eficiência, ainda assim menor que a bomba submersa, porém contribuindo com a entrega de energia ao meio somente pelo atrito do líquido com as paredes do sistema e corpo da carga, o que pode ser desprezível em baixas taxas de vibração. O sistema com agitação de líquido externa, mesmo com um tempo de homogeneização maior que o primeiro modelo, garante o equilíbrio do meio com poucas perdas de energia e evita contribuições de incertezas provenientes de fontes internas de fornecimento de energia, sendo selecionado para o primeiro padrão em desenvolvimento. A avaliação da isolação térmica do sistema consistiu na incorporação de um elemento aquecido (bloco de alumínio), a temperatura de aproximadamente 30 ºC e monitoramento por meio dos sensores termorresistentes já empregados no calorímetro. Os resultados podem ser verificados junto a figura 5. Após a inserção do elemento aquecido, o sistema de vibração é acionado juntamente com o sistema de aquisição de dados. Pode-se observar que mesmo com variações ambientais promovidas propositalmente por meio de uma câmara climática, as 58 Dezembro 2010

6 perdas do sistemas podem ser consideradas muito baixas. Um segundo ensaio foi efetuado para avaliação da contribuição do sistema vibratório na elevação da temperatura do meio e consequente contribuição na elevação de energia. Este ensaio teve duração de 30 minutos utilizando-se uma vibração duas vezes superior à vibração normal utilizada no processo de medição. Nenhuma variação foi perceptível aos sensores, indicando que a contribuição na elevação de temperatura pode ser considerada desprezível. Mesmo com essas contribuições podendo ser ignoradas, as mesmas foram computadas de forma a garantir a exatidão do padrão. A resistência dos condutores de conexão do calorímetro é fundamental para caracterização das componentes de incerteza que podem afetar os resultados de medição com o padrão. Juntamente a resistência destes condutores, a resistência de contato do sistema acaba por ser avaliada, e o sistema como um todo pode ser caracterizado e validado. Com auxílio de um gerador de pulso de desfibrilação monopolar adaptado especialmente para uso em laboratório (figura 6), pulsos de desfibrilação de energias entre 40 e 360 J foram aplicados ao padrão, e por meio de um alicate de corrente e uma ponta de prova de alta tensão Tektronix A622 e P6015A respectivamente, a energia perdida devido aos valores da resistência de contato e dos condutores de ligação da carga utilizados no padrão pode ser determinada. A caracterização da perda de energia em função da energia aplicada consiste basicamente na medição da tensão sobre os Dezembro

7 ENSAIOS terminais de entrada e sobre a posição relativa de entrada dos condutores no meio líquido. Esta energia, mesmo apresentando valores muito baixos, foi utilizada para correção dos resultados obtidos inicialmente com o padrão. Resultados A etapa final de caracterização do padrão consistiu em medidas comparativas, utilizando o desfibrilador adaptado do Laboratório da STEEE, dois analisadores de segurança com impedância interna de 50 Ω QED-6 da Instruments Inc. (Analisador 1) e Impulse 4000 (Analisador 2) da Dynatech Nevada Inc., dois sistemas de medição de energia de pulsos de desfibrilação da STEEE que consistem em um sistema independente da carga com uma ponta de prova de alta tensão P6015A da Tektronix, um alicate amperímetro A622 da Tektronix, ambos acoplados a um osciloscópio DPO7000 da Tektronix para aquisição e processamento dos sinais (denominado Sistema Independente da Carga) e um sistema simplificado para medição da energia por meio somente da ponta de alta tensão P6015A acoplada ao osciloscópio com dependência da carga utilizada (denominado Sistema Dependente da Carga). Os resultados mostram uma boa coincidência entre os resultados do sistema independente das características de carga utilizado pelo Laboratório da STEEE e o padrão, com algumas divergências apresentadas, principalmente em relação aos valores em baixa impedância, entre os valores medidos pelo sistema simplificado da STEEE e o padrão. Em 50 Ω divergências também foram en Dezembro 2010 contradas, levando em conta que os sistemas de medição foram utilizados simultaneamente e o padrão de forma intercalada, já que o mesmo não permite o acoplamento conjunto. Os dados com os desvios relativos entre cada sistema e o padrão, para cada carga selecionada, são ilustrados separadamente no gráficos das figuras 7 a 10. Estes resultados ilustram claramente a tendência de maiores desvios em baixo valores de carga, e mostram a maior deficiência do método de medição simplificado, somente pela aquisição da tensão na carga de ensaio, já que o mesmo é insensível aos efeitos

8 reativos apresentado pela carga em altas correntes. Os valores de referência foram estabelecidos com base no padrão já que o mesmo depende somente da transferência de energia sem levar em conta os fatores elétricos assinalados anteriormente. O primeiro modelo de padrão de referência para medição de energia de pulso de desfibrilação apresentou resultados satisfatórios. Sua capacidade de medição direta da energia transferida pelo pulso elétrico em alta tensão sobre uma carga com propriedades reativas em verdade desconhecidas, mostra-se como maior vantagem deste dispositivo sobre os demais sistemas utilizados para este propósito. A avaliação inicial dos desvios atribuídos principalmente às características indutivas dos componentes utilizados como cargas de ensaio indica uma tendência de erros na medida em que as cargas são reduzidas e consequentemente as correntes são elevadas no circuito de medição. Um sistema com aquisição da corrente de ensaio pode colaborar bastante para redução dos Dezembro

9 erros sistemáticos do sistema de medição, mas não é a forma mais usual de ensaio adotada. A característica não-indutiva de resistores de alta potência pode não ser verdadeira quando aplicamos a eles pulsos de alta tensão provenientes de desfibriladores cardíacos. Cuidados especiais quanto a este comportamento devem ser tomados, já que é possível verificar que o resultado dos ensaios pode variar substancialmente, chegando algumas vezes próximo aos valores limite estabelecidos por Normas (15% para a IEC :2002). A exatidão declarada pelos analisadores de segurança empregados neste trabalho é da ordem de 5%. O sistema de medição da energia com dependência do resistor de carga (método de cálculo de energia pela aquisição da tensão sobre a carga) apresenta uma incerteza da ordem de 3%, e quando acoplamos um medidor de corrente, a mesma é elevada para aproximadamente 3,7%. Com o padrão por calorimetria foram obtidas incertezas iniciais da ordem de 2% que poderiam ser aprimoradas pelo uso de componentes menores em menores volumes de líquido. A composição das incertezas abrangidas pelo padrão pode ser verificada na Tabela 2. As mesmas ainda estão sendo melhores estudadas para um equacionamento mais apurado de sua contribuição na incerteza total do sistema, bem como para a avaliação de outras componentes não incorporadas. Tabela 2. Componentes de incerteza do padrão Componente de incerteza Contribuição para a incerteza expandida Exatidão de Termorresistências < 45 % Sistema de leitura de temperatura < 15 % Variação no volume de líquido < 20 % Perdas no isolamento térmico < 5 % Variação na homogeneização <1 % Tempo de homogeneização < 1 % Perdas de energia nos condutores < 2 % Acréscimo de energia por agitação < 1 % 62 Dezembro 2010

10 Mesmo com uma avaliação preliminar, é evidenciada a maior contribuição do sistema de leitura de temperatura em conjunto com as termorresistências para as incertezas do sistema, e consequentemente sua exatidão. O sistema utilizado apresenta uma incerteza total de 0,03ºC e uma melhor calibração na faixa de utilização podem reduzir sua parcela de contribuição aos erros do sistema. Enfim, a ideia foi apresentar a avaliação preliminar de um padrão para medição da energia entregue por pulsos de desfibrilação. Os dados iniciais mostram uma boa resposta do sistema e sua utilização como referência na medição da energia de pulsos de desfibrilação aponta para cuidados a serem tomados com sistemas de medição da energia de desfibriladores por meio de cargas consideradas não indutivas e aquisição das formas de onda de alta tensão sobre as mesmas. Com a grande vantagem de não apresentar influência de fatores reativos das cargas utilizadas nos ensaios, e de medir a energia diretamente pela calorimetria, este sistema pode ser considerado um padrão para avaliação da energia e ainda um padrão de referência para calibração de sistemas de medição e analisadores de energia, serviço ainda indisponível na RBC. O estudo de um sistema com melhor exatidão e resolução em energia, podendo ser empregado em faixas menores que 40 J, esta em andamento na STEEE, devendo este ser empregado por fim como padrão de referência do laboratório e eventualmente podendo ser utilizado como padrão de calibração ou de referência para programas de intercomparação. Agradecimentos Os autores agradecem a toda equipe técnica da STEEE que de forma direta ou indireta colaboraram com este trabalho. Referências [1] B.J. Roth, Defibrillators in Encyclopedia of medical devices and instrumentation, vol. 2, pp , John Wiley & Sons Inc., Hoboken, New Jersey, [2] International Electrotechnical Comission. International Standard IEC Medical electrical equipment - Part 2: Particular requirements for the safety of cardiac defibrillators. Geneva: International Electrotechnical Comission, [3] F. C. Creed, T. Kawamura, G. Newe, Step response of measuring systems for high impulse voltages in IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. 11, pp , [4] G. Betta, C. Liguori, A. Pietrosanto, Propagation of uncertainty in a discrete Fourier transform algorithm, Measurement, vol. 27, pp , [5] H. Tang, A. Bergman, Uncertainty calculation for an impulse voltage divider characterized by step response, High Voltage Engineering Symposium, no. 467, pp , [6] M. Bottaro, et al., A practical method to determine the heating and cooling curves of x-ray tube assemblies, Med. Phys., vol. 34, pp , Márcio Bottaro, Vlamir Viana e Ricardo Clemente de Abreu são do Instituto de Eletrotécnica e Energia da USP - marcio@iee.usp.br - vlamir@iee. usp.br - rabreu@iee.usp.br Dezembro