Análise experimental de pressão intra expansor de pele

Transcrição

1 Análise experimental de pressão intra expansor de pele Aluno: José Carlos Lobo Santiago Neto Orientadora: Djenane Cordeiro PAMPLONA Introdução Este artigo descreve o desenvolvimento de um dispositivo electrônico capaz de medir a pressão interna de um expansor de pele. A expansão da pele tem sido estudada e utilizada em medicina ao longo dos anos. A expansão natural do tecido durante o crescimento dos indivíduos, aumento das mamas durante a puberdade, bem como o crescimento abdominal durante a gravidez são situações que mostram que a pele humana se adapta rapidamente a um expansão fisiológica 1,2. A expansão cutânea foi iniciado por Neumann 3 em 1957, com a reconstrução de uma orelha com microtia usando um balão de borracha na região retro auricular. Muitos anos se passaram sem que este trabalho pioneiro tivesse qualquer reconhecimento. Atualmente expansores são amplamente utilizados, tornando-se um dos maiores avanços na cirurgia plástica, na última decades 4. Expansores cutâneos são bolsas de silicone utilizados nos procedimentos para a correção de sequelas de trauma e queimaduras, na reconstrução da mama após mastectomia e deformidades congênitas ou adquiridas. Eles são normalmente implantado sob a pele normal, numa zona próxima à área afetada. Após o implante, o expansor é preenchido com soro fisiológico em seções semanais. Devido ao aumento do volume no interior do expansor, a pele sobre o expansor estica 4. Como o pale é viscoelástica em uma semana pode-se medir a pressão nula dentro do expansor, aliviando totalmente a tensão em que a pele se encontrava. A quantidade de soro a ser injetado em cada expansão varia de paciente para paciente, uma vez que o procedimento consiste em injetar soro fisiológico até a pessoa relatar algum desconforto no local. A pressão interna n expansor está relacionada com a tensão que a pele é submetida; esta tensão provoca desconforto e dor ao paciente se não forem mantidas dentro de um limite 5. Depois de atingir o seu volume desejado, o expansor é removido cirurgicamente, a pele afetada é removida e a área afetada é coberta com a pele sadia. Este método de tratamento tem uma grande vantagem, pois a pele utilizada para cobrir as cicatrizes é geralmente do mesmo local da lesão, apresentando, assim, a mesma cor e textura 4. Uma vez que o objetivo deste procedimento cirúrgico é esticar a pele para cobrir as áreas afetadas, é desejo dos médicos e pacientes que a expansão dure o menor tempo possível, causando o menor imcomodo para o paciente.

2 Objetivos A pressão interna do expansor varia de acordo com vários fatores, tais como a tensão da pele, se ela esta posicionada sobre órgãos, tecidos moles, ossos ou gordura 6. Assim, o conhecimento e controle da pressão interna do expansor é importante para maximizar a eficiência do processo. Até o presente momento, esta etapa de decrescimo da pressão interna e consequente adaptação da tensão nunca foi medida, pois normalmente ocorre com o paciente em casa, longe de cuidados médicos. Este fenomeno ocorre devido ao comportamento viscoelástico e pouco se sabe sobre o que acontece durante o processo pós-expansão. Várias questões são levantadas, tal como, se a pele cresce ou não, o tempo requerido entre as expansões e a melhor forma de planejar as expansões a fim de obter o retalho de pele desejado. Para responder a estas questões e, devido à falta de equipamentos para executar esta tarefa, optou-se por projetar, construir e testar um protótipo de um dispositivo capaz de medir e registrar de forma digital a pressão interna do expansor durante o processo de expansão (o período em que a pele está sendo esticada). O aparelho, usado durante o processo de expansão, fica acoplado à agulha e à seringa que vai administrar a solução salina, Figura 1. Assim sendo submetido à mesma pressão de líquido no interior do expansor. Por ser sempre visível ao paciente, o dispositivo tem de ter uma boa aparência e deve ser fácil de limpar, utilizar e configurar. Este fato motivou a criação de um dispositivo de tamanho compatível com o uso diário por um paciente sem a necessidade de uma monitorização contínua de um médico. Figura 1 - Expansão (a) agulha, (b) seringa, and (c) aparato.

3 Medidor de Pressão Para a criação deste dispositivo, foi levado em consideração o tamanho, o peso, a capacidade de adaptação e, claro, o preço de produção. Para o desenvolvimento do aparelho, sensores de pressão comerciais foram utilizados, e foi decidido por um microcontrolador convencional para a leitura e processamento dos dados e por ser fácil de programar e apresentar leituras precisas, a Figura 2 mostra o dispositivo sem sua capa. Figura 2 Aparato sem sua caixa. Microcontrolador Para ler e processar os dados recebidos a partir do sensor de pressão foi escolhido o Arduino Pro Mini 328, como mostrado na Figura 3. Este Arduino opera a 5V com um processador Atmega328 rodando a 16Mz. O Pro Mini 328 é uma plataforma limpa, não acompanha os conectores, de modo que os fios são soldadas directamente na placa, evitando a utilização de pinos desnecessárias, o que reduz tanto o tamanho quanto o peso do sistema como um todo. Esta plataforma também não tem uma conexão USB na placa, por isso é necessário o uso de um conversor Serial para USB para programar o controlador, este fato também reduzir o tamanho do aparelho desde que só é necessário programar o Arduino uma vez. O Pro Mini 328 mede somente 0.7x1.3" e pesa menos de dois gramas.

4 Figura 3 - Arduino Pro Mini 328 Conversor de Serial para USB A placa ilustrada na Figura 4 converte uma conexão USB em uma serial de 5V. Tem uma ATmega8U2 programado como um conversor, e tem um conector integrado de micro- USB e cinco pinos incluindo o RX (para receber dados a partir do computador) e o TX (para transmitir os dados para o computador). Também está incluído o pino de 5V, o pino de terra e o pino de reinicialização. Este conversor pode ser facilmente e diretamente ligado ao computador e ao Arduino Pro Mini, de modo que não é necessário ter um driver especial. O conversor não precisa estar contido no aparelho, ele somente é necessário quando o Arduino precisa ser programado. Figura 4 - Conversor USB para serial Sensor de pressão Para ler os dados de pressão, um sensor comercial da Honeywell foi escolhido, na Figura 5. Este sensor funciona numa faixa de 0 a 15 PSI, o que é mais do que suficiente para esta aplicação. O sensor envia para o Arduino um número de bits relacionados com a pressão exercida sobre o sensor. Este número de bits pode ser facilmente convertido em PSI (ou qualquer outra unidade de pressão como mmhg), com uma precisão de 0,2%. Este sensor também é muito leve e pequeno, o que contribui para alcançar o objectivo de manter o dispositivo com dimensões reduzidas.

5 Figura 5 Sensor de pressão Data logger Para gravar os dados desejados, é usado o OpenLog da SparkFun, como mostrado na Figura 6. O OpenLog tem uma conexão serial por isso é muito compatível com o Arduino. Este dispositivo cria um arquivo.txt e grava nele todos os dados enviados pelo controlador. OpenLog é um coletor de dados de código aberto que funciona normalmente em uma taxa de transmissão de 9600, de modo que é muito fácil de modificar seu código para atender qualquer necessidade futura. Este dispositivo suporta cartões microsd FAT16 e FAT32 de até 16 GB. O OpenLog também tem a grande vantagem de ser extremamente pequeno, medindo cerca de 0,16 x 0,6 x 0,75 ". Figura 6 OpenLog Visor LCD O dispositivo tem um visor LCD de modo que o médico pode monitorizar o aumento da pressão intra expansor enquantoo ele injeta o soro, como mostrado na Figura 7. Para melhor adaptação ao Arduino, foi escolhido um display conexão serial. Este visor tem 16x2 caracteres, e mostra a pressão medida em mmhg. Esta é a maior parte do aparelho. Displays menores foram propostas, mas, considerando as necessidades, este foi o mais otimizado possivel.

6 Figura 7 Visor Serial LCD Bateria Para alimentar o sistema, é utilizada uma bateria de lítio-ferro de duas células, cada célula tem 3,3 volts como formando uma bateria de tensão nominal 6,6 V, Figura 8. Como o Arduino, o sensor e o visor LCD funcionam bem com 5V, foi necessário construir um regulador de tensão. Esta bateria tem uma capacidade de 200mAh. Este tipo de bateria tem muitas vantagens, como o seu tamanho (1.18x0.90x0.57 ") e peso (15 gramas). Figura 8 Bateria de Lítio-Ferro Caixa Para garantir que o aparelho tenha uma boa aparência, foi projetado um case compacto com linhas suaves para acomodar todos os componentes do aparelho, como visto na Figura 9. O case tem dimensões (9.0x9.0x3.0cm), muito reduzido. Para garantir a perfeita instalação de todos os componentes, a caixa foi projetado no programa de CAD SolidWorks, Figura 10 e Figura 11.

7 Figura 9 Versão final do aparato Todas as peças foram modeladas com grande atenção aos detalhes. Depois de ter sido feita uma otimização do espaço interno, o aparelho foi impresso em uma impressora 3D usando plástico ABS. Figura 10 Caixa desenhada em Solid Works Figura 11 Caixa feita na impressora 3D Resultados No final do processo de desenvolvimento, o dispositivo atendeu perfeitamente a todas as expectativas, como a aparência, o peso, o tamanho e o custo. O dispositivo foi devidamente calibrado e seus resultados foram comparados aos de um manómetro comercial utilizado para medir a pressão arterial. O dispositivo tem-se mostrado muito estável e preciso, fornecendo dados sempre muito confiáveis.

8 Expansões pele de duas partes diferentes do corpo de um paciente foram analisadas e os dados obtidos foram processados e geraram tabelas e gráficos que relacionam a pressão interna do expansores com o volume de soro injetado pelo médico, Figura 12. Estas curvas mostram o aumento da pressão de dois expansores diferentes, um na região superior do tórax (em azul) e outro sobre a costela (em vermelho). Figura 12 - Pressão x Volume Estes gráficos podem ilustrar bem o comportamento da pele quando submetido à tensão. O estudo dos gráficos demonstrou que, neste caso mesmo em diferentes partes do corpo, a pele tem um comportamento muito semelhante, quando submetida á expansão. Em estudo futuro o paciente será mantido no hospital com o dispositivo conectado a ele 24 horas por dia, isso vai nos permitir analisar a curva de decaimento da pressão ao longo do tempo. Esta análise vai ajudar a caracterizar a pele, gerando os parâmetros necessários para que se ache a equação constitutiva da pele a considerando como um material visco-elástico. Conclusão O dispositivo é facilmente adaptável e pode ser rapidamente modificado para se ajustar às necessidades futuras, podendo até, depois de ter sido devidamente testado, fazer expansões autônomas com base na medição da pressão no interior do expansores. Este tipo de expansão seria muito útil, uma vez que dispensa a ida do paciente ao consultório médico semanalmente. Isso seria um grande avanço nesta técnica, porque muitas vezes os pacientes a vivem longe da clínica especializada que realiza esse procedimento. Acreditamos, também, que o dispositivo pode acelerar o processo como um todo, porque com ele o médico vai saber exatamente quando ele poderá fazer outra expansão. Não há qualquer

9 outro tipo de dispositivo com a mesma finalidade no mercado, por isso acreditamos que este indicador pode acrescentar muito à pesquisa relacionada com expansores de pele e cirurgia plástica reconstrutiva. A criação desse dispositivo pode ajudar muito os pacientes que necessitam desse tipo de tratamento. Com o controle da pressão interna do expansor, o médico sabe exatamente quanto soro ele pode injetar sem que esse processo cause muito desconforto ao paciente, ao contrário do que era feito antes quando o médico preenchia até o paciente pedir pra parar pois o incomodo estava grande. Outra vantagem do aparelho é que ele pode tornar o tratamento muito mais acessível, pois pode reduzir o tempo necessário que o paciente fique na cidade onde é operado. Como existem poucos lugares que realizem esse tratamento no Brasil, os pacientes de outras cidades precisam se locomover por grandes distâncias e permanecer proximo à clinica especializada durante todo o tratamento. Este fato dificulta o tratamento de pessoas de outros Estados, que normalmente não possuem condições financeiras de permanecer no Rio de Janeiro durante o processo, que dura aproximadamente de 3 a 6 meses. Com a criação de um aparelho que realize a expansão de forma autônoma, o paciente só precisaria ir a clinica quando for fazer a cirurgia de implante, pois o aparelho poderá fazer as expansões sem o ccompanhamento de um médico expecialista, sendo necessário apenas o acompanhamento de um médico local ou enfermeiro. Esse avanço reduziria o custo do tratamento. Agradecimentos Somos especialmente gratos ao Professor Ivo Pitanguy e sua equipe, que apoiaram projetos ao longo dos anos. Santa Casa da Misericórdia do Rio de Janeiro e ao Instituto de Cirurgia Plástica Ivo Pitanguy que aprovou esta pesquisa. O apoio financeiro da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES; número do processo E: ) e do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq; processo número / e /2010-5) foram essenciais para esta pesquisa. Referências [1] Pitanguy I., Brentano J., Muller P.M., et al., Expansores cutâneos- Descrição de um caso clínico., Ver. Bras. Cir. 75, (1985). [2] Pitanguy I., Carreirão S., Iglesias M.C.S., et al: Repeat expansion of the skin. Rev. So. Bras. Ci.r Plast. Est. Reconst. 9, (1994).

10 [3] Newmann C.G., The expansion of an area of skin by progressive distention of a subcutaneoous ballon. Plast. Reconstr. Surg. 19, , (1957). [4] Pitanguy I., Radwanski H.N., Amorim N.F.G., Lintz J.E., Moraes A.E.M.N., The use of tissue expanders in burn sequelae., Acta Medica Misericordiæ, 3 (2), (2000). [5] Pamplona D.C., Carvalho R.C., Characterization of human skin through skin expansion., JoMMS,; 7, (2012). [6] Pamplona C D, Mota D.E.J.S., Numerical and experimental analysis of inflating a circular hyperelastic membrane over a rigid and elastic foundation., Int. J. of Mech. Sciences, 65, 18 23, (2012).