ESTUDO DO AQUECIMENTO PRODUZIDO POR ULTRASSOM TERAPÊUTICO EM OSSO E PHANTOMS DE GORDURA E MÚSCULO

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1 ESTUDO DO AQUECIMENTO PRODUZIDO POR ULTRASSOM TERAPÊUTICO EM OSSO E PHANTOMS DE GORDURA E MÚSCULO L. C. Reis*, G. A. Costa*, T. Q. Santos*, J. F. S. Costa Júnior**, M.E.P. Chalco**, A. J. Fontes- Pereira**, A. M. M. Fantinati*, W. C. A. Pereira**, L. E. Maggi* * ESEFFEGO/UEG, Goiânia, Brasil ** Programa de Engenharia Biomédica - COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil luis.maggi@gmail.com Abstract: This work studies the temperature of phantoms irradiated by therapeutic ultrasound (US). Although some works can be found in literature on phantom heating with ultrasound, no study has estimated the area with temperatures that could damage the biological tissue. For this purpose, phantoms of fat and muscle were prepared, and put together with a bovine bone specimen. An experimental protocol was developed for phantom irradiation (1W cm -2, for 2 minutes, at 1 MHz), a program was implemented in Matlab plataform, which was able to estimate areas with temperatures over 45 C. The accuracy of measurements of the ultrasound output power was also verified. The largest error of output power was 16.53%, which is within the range recommended by IEC The Matlab program estimated an area with temperatures between 45 and 73, with 4.15 cm² in the anterior face of the thin muscle (fat- musclebone). Simulations with the COMSOL software were performed with the thermal and acoustic properties of biological tissues. Temperatures obtained were higher than those measured with the infrared camera, so the tissue would probably suffer damage in the real case. Complementary work has to be done with other application protocols. Palavras-chave: Phantoms, área de aquecimento, câmera infravermelha e ultrassom. Introdução O aquecimento produzido por radiação ultrassônica é parte importante do tratamento fisioterapêutico das lesões músculo-esqueléticas. O incremento da temperatura tecidual promovido por essa modalidade de terapia pode, por exemplo, reduzir o quadro álgico, através da ativação de termoreceptores que vão modular a condução da dor, e também pela redução do espasmo muscular, do aumento do fluxo sanguíneo e a extensibilidade das fibras de colágeno, além de propiciar uma resposta inflamatória branda que pode ser útil nos casos de inflamação crônica [1]. Quando a temperatura tecidual é elevada e mantida entre 40 e 45 ºC, durante uma aplicação com duração de, no mínimo 5 minutos, pode-se produzir efeitos térmicos 1 significativos [2-3]. Por outro lado, temperaturas acima de 45 C podem causar danos aos tecidos, fruto da desnaturação de proteínas [1]. Além disso, Habash et al. [4] mencionaram que temperaturas acima de 45 C podem ser utilizadas para destruir células de tumores. O ultrassom induz aumento de temperatura no tecido biológico devido à absorção de parte da energia da onda [5-6]. A quantidade de energia absorvida pelo meio depende da natureza do tecido e da frequência ultrassônica empregada [6]. Assim, o aquecimento de dois meios adjacentes, como por exemplo, gordura e músculo acontecem de maneira distinta. Na literatura, são descritos vários procedimentos experimentais para analisar o aquecimento gerado pelo ultrassom. Alguns trabalhos usaram cristais líquidos colestéricos [6-7], Bunn [9] utilizou phantoms termocromáticos, Omena [10] empregou um calorímetro diferencial, enquanto Costa et al. [11] usaram uma câmera infravermelha. Estes autores utilizaram a técnica estática de aplicação em corpos de prova feitos de epóxi, irradiados por 1 MHz. Quando o tempo de aplicação foi de 10 s o phantom atingiu uma temperatura de 49,9 C e com tempo de 15 s a temperatura chegou a 66,4 C. Porém este trabalho não buscou estimar as áreas de aquecimento que lesionam o tecido biológico. O objetivo deste trabalho foi estudar o aquecimento produzido por um equipamento de ultrassom fisioterapêutico (UST), com frequência central de 1 MHz em arranjo que mimetiza a sequência de tecidos gordura/músculo/osso, por meio de imagens infravermelhas. Para isso, buscou-se investigar o tamanho das áreas nas faces dos phantoms e da amostra de osso que exibiam temperaturas a partir de 45 ºC, pois, como já mencionado, seriam de risco de lesão tecidual. Materiais e Métodos Foi desenvolvido um protocolo experimental para registrar imagens infravermelhas nas superfícies de uma amostra de costela bovina e de phantoms de gordura e músculo, após serem irradiados por um equipamento de ultrassom terapêutico, operando no modo contínuo, com frequência central de 1 MHz e potência de saída estimada de 5 W e tempo de aplicação de 2 minutos, com o transdutor estático e em movimento.

2 Antes e após a realização do experimento, foram realizados testes de exatidão da potência de saída do equipamento de ultrassom. Esse teste buscou verificar se o valor da potência nominal selecionada pelo teclado do equipamento corresponde à que foi realmente obtida. Tal medição foi feita com uma balança de radiação acústica. Além disso, foi criado um programa (Mapach) em Matlab (Mathworks; Natick, MA, EUA) para calcular a área nos phantoms e na amostra de costela bovina com temperaturas iguais ou superiores a 45 C. Teste de Exatidão da Potência Acústica de Saída Seguindo a norma IEC 61689, empregou-se uma balança de radiação acústica (UPM-DT-1E, Ohmic Instruments) para verificar a potência máxima de saída do transdutor (frequência central de 1 MHz) acoplado ao equipamento de ultrassom terapêutico (Avatar III, KLD). Foram realizadas medições desde uma potência nominal de 2,5 até 7,5 W, com passos de 0,5 W. Em seguida, repetiu-se esse procedimento mais 4 vezes. Essa verificação foi realizada antes e depois da execução dos experimentos. A norma mencionada recomenda aceitação de equipamentos que apresentarem variações da potência de saída dentro da faixa de ± 20 %. A equação (1) foi usada para verificar esta recomendação, antes e depois a realização do experimento. PE PN erro 100, (1) PN onde PE é a potência estimada e PN a potência nominal indicada no mostrador frontal do equipamento. Phantoms Os phantoms foram confeccionados no Laboratório de Ultrassom do Programa de Engenharia Biomédica (PEB/COPPE/UFRJ). O phantom de gordura (6,0 x 6,0 x 1,0 cm) é formado por PVCP (policloreto de vinila plastificado) puro, ao passo que os phantoms de músculo grosso (4,7 x 12,0 x 2,2 cm) e músculo fino (4,7 x 12,0 x 0,9 cm) são compostos por PVCP e 5 % do volume total de pó de grafite. A amostra de osso empregada foi uma costela bovina. Inicialmente realizou-se a dissecação para retirada de tecido mole. Depois de limpo, o osso foi posto para secar em uma estufa a 70 C, e por fim o osso foi fixado em uma solução de glutaraldeído a 2,5% em tampão fosfato de Sorensen (ph 6,4), por 12 h. Procedimento Experimental A disposição dos equipamentos usados pode ser vista na Figura 1. Inicialmente programa-se o banho-maria (521/D, Nova Ética) para manter a temperatura da água entre 36 e 37 C, compatível com temperatura fisiológica humana [12]. Em seguida, os phantoms e a amostra de osso são colocados no banho-maria, para entrar em equilíbrio térmico com o sistema. Verificou-se que 10 minutos são suficientes para tal. Uma vez alcançado o equilíbrio térmico, os phantoms e a amostra de osso são agrupados da seguinte forma: osso na parte inferior, músculo na intermediária e gordura na parte superior. Em seguida, posiciona-se o transdutor tocando a camada de gordura e se inicia a irradiação ultrassônica. Finalizado este procedimento, o phantom de gordura é retirado do banho-maria e colocado sobre uma placa de isopor, de onde são registradas imagens das faces anterior e posterior do phantom, com uma câmera infravermelha (Infracam TM, Flir Systems) que apresenta exatidão de ± 2 C ou 2% da leitura, posicionada a 37,4 cm da placa de isopor. Câmera Infravermelha Amostra de Osso e Phantoms Figura 1: Montagem experimental. Banho Maria Aparelho de UST Placa de Isopor Todo o processo descrito foi repetido, porém tirou-se o phantom de músculo do banho-maria para obter imagens térmicas de suas duas faces. E por fim, o mesmo foi feito para o osso. Um segundo procedimento experimental foi adotado, a única diferença entre este e o anterior é que o transdutor foi posto em movimento circular sobre a camada de gordura, sem ultrapassar suas bordas (2 min). Programa Mapach O programa de detecção de área de aquecimento, Mapach, foi implementado em Matlab. Inicialmente a imagem é lida e armazenada em uma matriz, em seguida, convertida em uma imagem binária (Figura 2), para isso utiliza-se a função im2bw. Esta transforma uma imagem RGB (imagem colorida) em tons de cinza, depois usa-se um valor limiar estabelecido para que valores acima dele sejam considerados 1 e abaixo, 0. Neste trabalho, a função graythresh escolhe o melhor limiar pelo método de Otsu. Figura 2: Conversão de imagem RGB (esquerda) em imagem binária (direita). Após a binarização, aplicou-se o operador morfológico dilatação, com disco de raio 2 como elemento estruturante. Posteriormente, o método de

3 detecção de Sobel, que utiliza a função derivada para encontrar a máxima variação de claro para escuro, foi aplicado, para se obter o contorno nas imagens (Figura 3). Teste do Programa Mapach - Empregaram-se quatro placas de Petri com diâmetros internos de 1,62, 3,42, 5,81 e 8,90 cm contendo água a 56 C para testar o programa desenvolvido. A câmera infravermelha foi posicionada a aproximadamente 37 cm da placa. Foram registradas 3 imagens de cada placa e buscou-se calcular a área que apresentou temperatura a partir de 45 C. Resultados A Tabela 1 exibe o resultado do teste de exatidão da potência de saída do equipamento de ultrassom. Observam-se os valores da potência nominal, da potência de saída antes (PM a ) e depois (PM d ) da realização do experimento e seus respectivos erros. Figura 3: Imagem segmentada A Figura 4 ilustra a Região de Interesse (ROI), obtida extraindo-se uma subimagem a partir da imagem segmentada anteriormente. Figura 4: Região de Interesse (ROI), ou seja, a que está com temperatura a partir de 45 C. Na subimagem que contém o contorno, foi contabilizado o número de pixels tanto do contorno quanto da área que este delimita. Então os resultados foram multiplicados pelo valor da área do pixel, obtendo assim a área da região delimitada em cm 2. Finalmente, o contorno foi colorido na imagem original para que fosse possível distinguir a área de interesse do resto da imagem, como é exibido na Figura 5. Tabela 1: Valores médios e erro da potência de saída medida antes (PM a ) e depois (PM d ) dos experimentos. PN PM a Erro (%) PM d Erro (%) 2,50 2,47-1,33 2,72 8,80 3,00 2,97-1,11 3,26 8,67 3,50 3,53 0,95 3,90 11,43 4,00 4,07 1,67 4,42 10,50 4,50 4,63 2,96 5,02 11,56 5,00 5,20 4,00 5,68 13,60 5,50 5,77 4,85 6,20 12,73 6,00 6,40 6,67 6,92 15,33 6,50 7,03 8,21 7,42 14,15 7,00 7,70 10,0 8,06 15,14 7,50 8,33 11,11 8,74 16,53 A Tabela 2 exibe a média e o desvio-padrão das áreas de 3 placas de Petri contendo água, os quais foram obtidos usando-se o programa Mapach. Tabela 2: Resultado do teste do programa Mapach. Diâmetro da Placa (cm) 1,62 3,42 5,81 8,90 Média do Diâmetro (cm) 1,64 ± 0,01 3,60 ± 0,03 6,00 ± 0,12 8,86 ± 0,12 Área Real 02,06 09,20 26,50 62,22 Área Estimada 02,12 ± 0,02 09,69 ± 0,11 27,38 ± 1,26 60,31 ± 1,49 Figura 5: Imagem original com contorno colorido. A Figura 6 ilustra qualitativamente as áreas delimitadas nos phantoms e na amostra de osso após aplicação do ultrassom, para os diferentes protocolos, com temperatura a partir de 45 C. Além disso, é possível obsevar a temperatura máxima (extremidade superior esquerda) que cada uma delas atingiu e o código de cada imagem (extremidade inferior esquerda)

4 53,9 C 49,5 C (a) 45 C (região branca) e visualizar as dimensões dos phantoms de gordura e músculo, sendo que estes possuem largura de 6,0 e 4,7 cm, respectivamente ,6 C 72,8 C 72,8 C 56,8 C (b) ,6 C ,6 C (c) Figura 7: Face Posterior da Gordura (esquerda) e Face Posterior do Músculo Fino (direita) exibindo a região com temperatura acima de 45 C Figura 6: Imagens do aquecimento gerado por UST estático em diferentes phantoms. (a) faces anterior e posterior do músculo grosso, (b) faces anterior e posterior músculo fino, (c) face posterior da gordura e face anterior do osso e (d) face anterior do músculo grosso (movimento) e face posterior do músculo fino. A Tabela 3 mostra a identificação da imagem, a faixa de temperatura e a área da região segmentada com temperatura acima de 45 C. Tabela 3: Quantificação das áreas com temperatura a partir de 45 C. Imagem ,3 C 50,4 C Faixa de Temperatura ( C) Área da região segmentada ,0-50,5 1, ,0-53,9 2, ,0-49,5 1, ,0-49,1 1, ,0-56,8 3, ,0-50,6 1, ,0-49,3 2, ,0 73,0 4,15 (d) A Figura 7 exibe as imagens de aquecimento das faces posterior dos phantoms de gordura e músculo fino, quando o conjunto foi irradiado com ultrassom empregando-se a técnica estática. Nessas imagens é possível observar a região com temperatura acima de Discussão O maior erro da potência temporal máxima de saída (Tabela 1) foi de 16,53 %, que é menor que variação de ± 20 % recomendada pela IEC [13]. Isso indica que o equipamento está conforme a norma. Observa-se, na Tabela 2, que o erro para a estimação da área com temperaturas a partir de 45 C da placa de menor diâmetro foi 2,82 %. Analisando as imagens obtidas pela câmera infravermelha, é possível notar que diversos protocolos experimentais alcançaram temperaturas acima de 45 C. Segundo Habash et al. [4], temperatura maior que 50 C por aproximadamente 2 minutos causa necrose, coagulação e morte celular dos tecidos biológicos. Quando atingida essa temperatura, o tempo para se alcançar dano celular irreparável decresce exponencialmente. Sendo assim, este estudo no qual o ultrassom terapêutico foi aplicado em phantoms mostrou que podem ocorrer lesões em pequenas áreas do tecido biológico. Por exemplo, as Figuras 6a (direita), 6d (esquerda), 6b (esquerda) e 6c (esquerda) apresentam temperaturas máximas de 50,4, 53,9, 72,8, 50,6 e 56,8 C e possuem área de aquecimento de 1,70, 2,33, 4,15, 1,27 e 3,20 cm², respectivamente, para aplicações estáticas. O osso atingiu uma temperatura elevada, 48,6 C, na face anterior, quando foi agrupado com a gordura e o músculo fino (Figura 6c, direita). Na Tabela 3 é possível notar que a área com temperatura acima de 45 C para este phantom foi 1,28 cm². Por outro lado, no arranjo com o músculo grosso, o osso atingiu uma temperatura de 43,5 C, sendo que estaria fora do limiar de lesão. Quando a técnica de aplicação incluiu o movimento, somente um protocolo experimental apresentou temperatura maior que 45 C. Uma região (2,25 cm 2 ) da face anterior do phantom músculo grosso atingiu temperatura máxima de 49,3 C. Com isso, observa-se que o programa Mapach foi capaz de quantificar áreas nos phantoms com temperatura acima de 45 C, as quais podem provocar lesões nos tecidos biológicos Realizando-se uma análise qualitativa da Figura 7 e considerando a área com temperatura acima de 45 C

5 (área branca) com forma circular, é possível inferir o tamanho da área por meio do diâmetro, por exemplo, o phantom da Figura 7 (direita) possui largura de 4,7 cm e a região branca ocupa quase toda a largura deste phantom. Pode-se observar também que a face posterior do músculo aqueceu mais que a face posterior da gordura. Este efeito é compatível com o esperado, pois os tecidos que apresentam elevado conteúdo de proteínas absorvem energia mais rápido que os tecidos com grande quantidade de gordura [5]. Apesar dos efeitos térmicos desejáveis serem obtidos com temperaturas entre 40 e 45 C e mantidas por 5 minutos [1], neste trabalho com tempo de aplicação de 2 minutos, os phantoms apresentaram áreas que atingiram temperaturas lesivas. Então, um tempo maior de exposição ao ultrassom com a configuração usada, pode lesionar tecidos e danificar a estrutura dos phantoms. É importante salientar que os phantoms não possuem sistema de dissipação de calor como acontece no tecido biológico, principalmente devido à corrente sanguínea. Então, se faz necessário confeccionar phantoms vascularizados e realizar um trabalho semelhante a este. Realizou-se uma simulação no programa COMSOL 4.2 (Palo Alto, CA, EUA) utilizando os parâmetros acústicos e térmicos das camadas de tecido biológico, e empregou-se também o mesmo protocolo experimental estático usado neste estudo, com isso notou-se que as temperaturas máximas nas interfaces foram superiores àquelas obtidas com os phantoms. Ou seja, os phantoms aqui usados subestimaram as temperaturas. Isto se deve ao fato de que as propriedades acústicas serem um pouco abaixo do valor para o caso real, assim como as propriedades térmicas. Sendo assim, pode-se supor que se esta configuração experimental fosse empregada no tecido biológico, poderia induzir o aparecimento de lesões. Além disso, a área de aquecimento poderia ser maior. Entretanto, deve-se considerar que o osso empregado na simulação apresentou superfícies planas e regulares, com 1 cm de espessura, enquanto que a amostra de osso usada no experimento foi irregular. A Tabela 4 exibe o resultado da simulação realizada com o COMSOL. T1 é a temperatura quando o músculo fino foi empregado e T2 quando o músculo grosso foi usado. Tabela 4: Resultado da Simulação no COMSOL Interfaces T1 ( C) T2( C) Transdutor / Gordura 63,81 58,14 Gordura / Músculo 77,75 65,82 Músculo / Osso 126,42 81,25 Conclusão Foi desenvolvido um protocolo para medir temperaturas das interfaces em phantom ultrassônico de tripla camada (gordura/músculo/osso). O protocolo inclui processamento de imagem térmica (infravermelha), com identificação das regiões com temperaturas potencialmente danosas aos tecidos. Como próximos passos, pretende-se usar phantoms com propriedades acústicas e térmicas mais próximas à dos tecidos biológicos e testar outros protocolos de aplicação para que se possa estabelecer a sua adequação ou não como técnica fisioterapêutica. Agradecimentos Ao CNPq, CAPES e FAPERJ pelo apoio financeiro. Referências [1] Prentice,W. E. Modalidades terapêuticas para fisioterapeutas, 2.ed.,Porto Alegre:Artmed,2004. [2] Guirro, E.C.O., Guirro, R.R. (2004), Ultra-som, In: Fisioterapia dermato-funcional - Fundamentos recursos patologias, 3ª ed, São Paulo: Manole, p [3] Rodrigues, E.M.; Guimarães, C.S. (1998), Manual de recursos fisioterapêuticos. Rio de Janeiro: Revinter, 145p. [4] Habash, R.W.Y, Bansal, R, Krewski, D e Alhafid, H. T. (2006) Thermal Therapy, Part 1: An Introduction to Thermal Therapy Critical ReviewsTM in Biomedical Engineering, v. 34, n. 6, p [5] Kitchen, S. (2003) Eletroterapia: prática baseada em evidências. 2.ed. Barueri: Manole. 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