UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARAN PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA E

INFORMTICA INDUSTRIAL

RUBENS ALEXANDRE DE FARIA

ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE INSTRUMENTAO PARA MONITORAO DE PARMETROS FISIOLGICOS EM PACIENTES

SUBMETIDOS OXIGENOTERAPIA HIPERBRICA (HBO)

TESE DE DOUTORADO

CURITIBA 2011

RUBENS ALEXANDRE DE FARIA

TUDO E DESENVOLVIMENTO DE INSTRUMENTAO PARA MONITORAO DE PARMETROS FISIOLGICOS EM PACIENTES

SUBMETIDOS OXIGENOTERAPIA HIPERBRICA (HBO)

Tese apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica e Informtica Industrial da Universidade Tecnolgica Federal do Paran como requisito parcial para a obteno do ttulo de "Doutor em Cincias" - rea de Concentrao: Engenharia Biomdica.

Orientador: Prof. Dr. Paulo Jos Abatti-UTFPR Co-Orientador: Prof. Dr. Sergio Francisco Pichorim - UTFPR

CURITIBA 2011

ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE INSTRUMENTAO PARA

Dados Internacionais de Catalogao na Publicao F224 Faria, Rubens Alexandre de

Estudo e desenvolvimento de instrumentao para monitorao de parmetros fisiolgicos em pacientes submetidos oxigenao hiperbrica (HBO) / Rubens Alexandre de Faria. 2011.

82 f. : il. ; 30 cm

Orientador: Paulo Jos Abatti. Coorientador: Srgio Francisco Pichorim. Tese (Doutorado) Universidade Tecnolgica Federal do Paran. Programa de Ps-

graduao em Engenharia Eltrica e Informtica Industrial. Curitiba, 2011. Bibliografia: f. 79-82.

1. Cmara hiperbrica. 2. Biotelemetria. 3. Clulas fotovoltaicas. 4. Oxigenao hiperbrica. 5. Instrumentos e aparelhos mdicos. 6. Engenharia biomdica. 7. Engenharia eltrica Teses. I. Abatti, Paulo Jos, orient. II. Pichorim, Srgio Francisco, coorient. III. Universidade Tecnolgica Federal do Paran. Programa de Ps-graduao em Engenharia Eltrica e Informtica Industrial. IV. Ttulo.

CDD (22. ed.) 621.3

Biblioteca Central da UTFPR, Campus Curitiba

RESUMO

FARIA, Rubens Alexandre. Estudo e desenvolvimento de instrumentao para monitorao de parmetros fisiolgicos em pacientes submetidos Oxigenoterapia Hiperbrica (HBO). 2011. 82f. Tese de Doutorado (Engenharia Biomdica) Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica e Informtica Industrial, Universidade Tecnolgica Federal do Paran. Curitiba, 2011.

A cmara hiperbrica, equipamento responsvel pelo tratamento de diversos tipos de doenas ou sndromes, possui uma restrio muito grande quanto ao instrumentao biomdica utilizada para monitoramento dos pacientes, devido ao alto risco de fogo ou exploso, por trabalhar com oxignio (O2) sob presso. No presente trabalho descrito o desenvolvimento de um dispositivo biotelemtrico ativo, porm de baixo consumo e menor tenso possvel envolvida, capaz de monitorar, em tempo real, o sinal de ECG de um paciente sob tratamento hiperbrico. Para minimizar a possibilidade de se gerar nveis de calor suficientes para iniciar uma exploso, optou-se pelo uso de circuitos eletrnicos que, comparativamente, pudessem operar com os menores nveis de energia. Alm disto, procurou-se evitar o uso de materiais que em contato com o O2 puro pudessem causar reaes qumicas que levassem a uma exploso. Neste sentido, optou-se por alimentar o dispositivo usando-se clulas fotovoltaicas, evitando assim o uso de baterias. Para se chegar a este desenvolvimento, estudaram-se os nveis de campo eltrico necessrios para a deflagrao de fascas eltricas (Curvas de Paschen) dentro de uma cmara hiperbrica prottipo contendo O2 sob presso. Os resultados definem uma relao segura entre a tenso aplicada e a distncia entre as partes condutoras de um circuito eletrnico dentro da cmara (trilhas da placa de circuito impresso ou terminais de componentes).

Palavras-chave: Cmaras hiperbricas. Instrumentao biomdica. Biotelemetria. Circuitos de baixo consumo. Oxignio sob presso.

ABSTRACT

FARIA, Rubens Alexandre. Study and development of instrumentation for monitoring of physiological parameters in patients treated in Hyperbaric Oxygen under pressure (HBOT). 2011. 82f. DSc. (Biomedical Engineering) Graduate School of Electrical Engineering & Computer Science, Federal University of Technology Parana. Curitiba, 2011.

Hyperbaric chambers are a kind of equipment used to treat several illnesses or syndromes. However, it is very dangerous whenever electronic instruments are used inside it, because the chamber has oxygen (O2) under pressure and the equipment can originate fires, specially due to the generation of sparks. In the present work, it is described the development of an active biotelemetric device. This circuit is capable to monitor, in real time, the ECG signal of a pacient during hyperbaric treatment. To minimize the possibility of generating temperature values high enough to initiate an explosion, it was chosen to use electronic circuits that, comparative, could operate with low levels of energy. Moreover, materials that when in contact with pure O2 could cause chemical reactions that would lead to an explosion, have been avoided. In this direction, it was chosen to feed the device using fotovoltaic cells, thus avoiding the use of batteries. To reach this development, the necessary levels of electric field for the deflagration of electric sparks have been studied (by Paschens Curves) and tests inside a prototype hyperbaric chamber, using O2 under pressure, have been carried out. The final results define a safe relation between applied voltage and the conductive electronic circuit parts inside the chamber (copper trace and pads of the printed circuit board).

Keywords: Hyperbaric Chambers. Biomedical Instrumentation. Biotelemetry. Low power electronic circuits. Oxygen under pressure.

LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 - CMARA HIPERBRICA MVEL DE FONTAINE ................................................................... 14 FIGURA 2 - CURVA PRESSO X VOLUME, DURANTE O PROCESSO DE COMPRESSO E

DESCOMPRESSO. ..................................................................................................................... 16 FIGURA 3 - ROTA DO OXIGNIO NO CORPO HUMANO. ........................................................................... 20 FIGURA 4 - CURVA DE DISSOCIAO DA OXI-HEMOGLOBINA............................................................. 21 FIGURA 5 - PROBLEMAS RELATIVOS ALTA CONCENTRAO DE O2. .............................................. 23 FIGURA 6 - VISTA EXTERNA (A) E DETALHAMENTO INTERNO (B) DE UMA CMARA

MULTIPLACE PRODUZIDA PELA EMPRESA ECOTECMED LTDA, COM CAPACIDADE PARA OITO PACIENTES............................................................................................................. 24

FIGURA 7 - ADMINISTRAO DE O2 POR MEIO DE MSCARAS INDIVIDUAIS EM CMARAS MULTIPLACE. .............................................................................................................................. 24

FIGURA 8 - FOTO DA CMARA E VISTA INTERIOR DA CMARA MONOPLACE DA EMPRESA SECHRIST. ..................................................................................................................................... 25

FIGURA 9 - FOTO DA CMARA MONOPLACE MODELO BLKS MK3, DA EMPRESA KHRUNICHEV SPACE CENTER............................................................................................................................. 25

FIGURA 10 - SISTEMA DE INFUSO MEDICAMENTOSA, ONDE UMA CNULA INSERIDA NO INTERIOR DA CMARA A PARTIR DE UM PASS-THROUGH VEDADO COM ANEL DE SEGURANA. ............................................................................................................................... 28

FIGURA 11 - CURVAS DE PASCHEN PARA GASES PUROS........................................................................ 33 FIGURA 12 - CURVAS DE PASCHEN PARA AR E O2. ................................................................................... 33 FIGURA 13 - CMARA MONOPLACE PROTTIPO VISTA EXPLODIDA............................................... 37 FIGURA 14 - CMARA MONOPLACE PROTTIPO ...................................................................................... 38 FIGURA 15 - AMBIENTE DE ENSAIO EM BANCADA PARA VERIFICAO DE FAISCNCIA. ........... 39 FIGURA 16 - COMPARATIVO ENTRE AS CURVAS DE TENDNCIA DA TENSO EM RELAO AO

PRODUTO PRESSO.DISTNCIA PARA O ENSAIO UTILIZANDO AR-COMPRIMIDO E O2. ................................................................................................................................................... 40

FIGURA 17 - CURVAS DA TENSO ENTRE OS ELETRODOS EM RELAO AO PRODUTO PRESSO.DISTNCIA................................................................................................................. 42

FIGURA 18 - MONITORAMENTO DO SINAL DE ECG EM UM PACIENTE SOB TRATAMENTO HIPERBRICO.............................................................................................................................. 44

FIGURA 19 - DIAGRAMA ESQUEMTICO DO AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAO CLSSICO......................................................................................................................................................... 47

FIGURA 20 - FOTO DA FAMLIA DE TRANSCEIVERS DA NORDIC SEMICONDUCTORS..................... 52 FIGURA 21 - OSCILADOR DE BLOQUEIO E A FORMA DE ONDA NO COLETOR DE Q1. ...................... 53 FIGURA 22 - TESTES DE ALCANCE COM O OSCILADOR DE BLOQUEIO E A BOBINA RECEPTORA.

........................................................................................................................................................ 62 FIGURA 23 - CIRCUITO COMPLETO DO MDULO TRANSMISSOR DO SINAL DE ECG....................... 63 FIGURA 24 - SENIDE AMORTECIDA MEDIDA NO COLETOR DE Q1, NA FREQNCIA DE 240 KHZ.

........................................................................................................................................................ 64 FIGURA 25 - DIAGRAMA EM BLOCOS REFERENTE AO CIRCUITO DE RECEPO DO SINAL DE

ECG DO LADO DE FORA DA CMARA HIPERBRICA........................................................ 65 FIGURA 26 - ESTRUTURA DO DEMODULADOR PPM UTILIZADO NA RECEPO DO SINAL FORA

DA CMARA. ............................................................................................................................... 66 FIGURA 27 - FORMA DE ONDA CAPTURADA NO PINO 4 DO CI 74HC14, REPRESENTANDO OS

PULSOS DE SADA MODULADOS EM POSIO. .................................................................. 66 FIGURA 28 - TEMPO ENTRE OS PULSOS, DURANTE O SINAL DE ECG. ................................................. 67 FIGURA 29 - MULTIVIBRADOR MONOESTVEL E FILTROS PASSA-BAIXA PARA REGENERAO

DO SINAL DE ECG....................................................................................................................... 67 FIGURA 30 - FORMA DE ONDA APS O MULTIVIBRADOR MONOESTVEL. ...................................... 68 FIGURA 31 - SINAL DE ECG NA SADA DO RECEPTOR, EM COMPARAO COM A ONDA GERADA

PELO SIMULADOR...................................................................................................................... 68 FIGURA 32 - ENSAIO DO CIRCUITO TRANSMISSOR E RECEPTOR DO SINAL DE ECG EM

BANCADA, ALIMENTADO PELA CLULA FOTOVOLTAICA.............................................. 71 FIGURA 33 - (A) FFT DO MONITOR CARDACO EMAI (B) FFT DO SINAL TRANSMITIDO E

DEPOIS DEMODULADO PELOS CIRCUITOS DESENVOLVIDOS. ..................................... 71 FIGURA 34 - MDULO TRANSMISSOR, CONTENDO CIRCUITO AMPLIFICADOR DE ECG,

CLULAS FOTOVOLTAICAS E CABOS COM ELETRODOS. ................................................ 72 FIGURA 35 - CMARA HIPERBRICA MONOPLACE, ECOBAR 800......................................................... 73 FIGURA 36 - COLOCAO DO MODELO HUMANO NA CMARA HIPERBRICA................................ 74 FIGURA 37 - SISTEMA DE MONITORAMENTO MONTADO, COM ILUMINAO DIRETO NA

CLULA FOTOVOLTAICA. ........................................................................................................ 74 FIGURA 38 - SINAL ADQUIRIDO DO PACIENTE NA SADA DO AMPLIFICADOR DE ECG.................. 75 FIGURA 39 - SINAL DE ECG NA SADA DO CIRCUITO RECEPTOR, FORA DA CMARA

HIPERBRICA.............................................................................................................................. 75

LISTA DE TABELAS TABELA 1 - UNIDADES DE PRESSO ............................................................................................................ 15 TABELA 2 - RELAES ENTRE AS UNIDADES DE PRESSO................................................................... 15 TABELA 3 - TIPO DE ACIDENTE EM CMARAS MULTIPLACE................................................................ 31 TABELA 4 - REGISTRO DE ACIDENTES EM CMARAS HIPERBRICAS ............................................... 30 TABELA 5 - QUANTIDADE DE O2 NA CMARA HIPERBRICA MONOPLACE NO MOMENTO EM

QUE ACONTECEU O ACIDENTE .............................................................................................. 31 TABELA 6 - ENSAIO SOBRE O TIPO DE MATERIAIS E SUA COMBUSTO............................................ 32 TABELA 7 - CARACTERSTICAS ELTRICAS DE CLULAS FOTOVOLTAICAS FLEXVEIS ............... 46 TABELA 8 CARACTERSTICAS DE ALGUNS AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTAO

DISPONVEIS COMERCIALMENTE.......................................................................................... 48 TABELA 9 - DADOS REFERENTES TENSO CAPAZ DE PROVOCAR A PRIMEIRA FASCA

VERSUS O PRODUTO DA PRESSO DO AMBIENTE E A DISTNCIA ENTRE OS ELETRODOS ................................................................................................................................. 41

SUMRIO

1 INTRODUO............................................................................................................10 1.1 OBJETIVO ...................................................................................................................10 1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO .................................................................................11 2 REVISO DO CONHECIMENTO .............................................................................12 2.1 INTRODUO............................................................................................................12 2.2 ASPECTOS HISTRICOS DA OXIGENOTERAPIA ...............................................12 2.3 DESENVOLVIMENTO DA TERAPIA HIPERBRICA A AR-COMPRIMIDO .....13 2.4 RELAES ENTRE PRESSO-VOLUME, P. PARCIAL E LEI DOS GASES ......14 2.5 RELAES E UNIDADES DE PRESSO................................................................14 2.5.2 Efeitos da presso no volume .......................................................................................15 2.5.3 Presso parcial de um gs em misturas gasosas ...........................................................17 2.5.4 Presso parcial de gases em lquidos ............................................................................18 2.6 O OXIGNIO (O2) .......................................................................................................18 2.6.1 O Efeito Fisiolgico do O2 ...........................................................................................19 2.6.2 O transporte do O2 ........................................................................................................19 2.6.3 Curva de Dissociao da Oxi-Hemoglobina.................................................................20 2.6.4 A Toxidade do O2 .........................................................................................................22 2.6.5 Manifestaes Clnicas da Toxicidade do O2 ...............................................................22 2.7 O SISTEMA HIPERBRICO......................................................................................23 2.7.1 Cmaras Multiplace......................................................................................................23 2.7.2 Cmaras Monoplace .....................................................................................................25 2.7.3 Tratamento Clnico em Cmaras Monoplace ...............................................................26 2.8 DETALHAMENTO DAS PARTES DE UMA CMARA HIPERBRICA..............27 2.8.1 O Vaso de Presso ........................................................................................................27 2.8.2 Portas e Janelas.............................................................................................................27 2.8.3 Acesso da Instrumentao Cmara ............................................................................27 2.9 PROTEES E CONTROLE DE AR EM CMARAS HIPERBRICAS ...............28 2.10 MATERIAIS PERMITIDOS EM CMARAS HIPERBRICAS ..............................29 2.11 ACIDENTES EM CMARAS HIPERBRICAS.......................................................29 2.12 CURVAS DE PASCHEN ............................................................................................32 2.13 CONCLUSES............................................................................................................34 3 ENSAIOS FAISCNCIA EM CMARAS HIPERBRICAS MONOPLACE .........36 3.1 INTRODUO............................................................................................................36 3.2 CONdies experimentais ............................................................................................36 3.3 comparao de faiscncia entre ar-comprimido e O2 ...................................................39 3.4 ENSAIOS de faiscncia................................................................................................41 3.5 CONCLUSES............................................................................................................43 4 DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA TELEMTRICO PARA

MONITORAO DO SINAL DE ECG NO AMBIENTE HIPERBRICO ..............44 4.1 INTRODUO............................................................................................................44 4.2 O EQUIPAMENTO de ECG TELEMTRICO ...........................................................44 4.3 LIMITAES DE MATERIAIS E DISPOSITIVOS NA HIPERBARIA...................44 4.4 ALIMENTAO DO CIRCUITO JUNTO AO PACIENTE......................................45 4.4.1 Clulas Fotovoltaicas....................................................................................................45

4.5 AMPLIFICADOR DE ECG E FILTROS.....................................................................46 4.5.1 Amplificador de instrumentao ..................................................................................47 4.5.2 Clculo dos filtros.........................................................................................................49 4.5.2.1 Filtro Passa-Alta ...........................................................................................................49 4.5.2.2 Filtro Passa-Baixa.........................................................................................................50 4.5.3 Amplificadores operacionais ........................................................................................50 4.6 CIRCUITO TRANSMISSOR ......................................................................................50 4.6.1 Sistema ptico..............................................................................................................50 4.6.2 Transmisso em radiofreqncia (RF)..........................................................................51 4.6.2.1 Transmisso Digital utilizando o protocolo 802.11......................................................51 4.6.3 Oscilador de bloqueio...................................................................................................53 4.6.3.1 Anlise do circuito........................................................................................................53 4.6.3.2 Funcionamento do circuito ...........................................................................................56 4.6.3.3 Ensaios do Oscilador de Bloqueio................................................................................61 4.7 CIRCUITO DEMODULADOR ...................................................................................65 4.7.2 Condicionamento e demodulao do sinal ...................................................................66 4.8 CONCLUSES............................................................................................................69 5 RESULTADOS ............................................................................................................70 5.1 INTRODUO............................................................................................................70 5.2 INTEGRAO DOS MDULOS E TESTES EM BANCADA ................................70 5.3 VALIDAO DO SINAL DE ECG ADQUIRIDO ....................................................71 5.4 ENSAIOS na cmara monoplace..................................................................................72 5.5 O AMBIENTE DO ENSAIO .......................................................................................73 5.6 TESTES........................................................................................................................73 5.7 ANLISE DOS RESULTADOS .................................................................................76 6 DISCUSSO E TRABALHOS FUTUROS ................................................................77

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1 INTRODUO A origem e o uso da medicina hiperbrica est diretamente ligada prpria histria da

medicina na prtica do mergulho. Junto com o mergulho, seja ele autnomo ou imerso em dispositivos de apoio, tais como bales de explorao subaqutica, sinos de imerso e cpsulas

improvisadas, foi descoberto um distrbio que provocava leses e limitaes aos que se

expunham a este tipo de aventura, devido presso sobre o corpo humano (JAIN, 1999). O mal da descompresso (BENNETT; MOON, 1990; MOON; CAMPORESI, 1999),

no seria somente um desconforto causado nos mergulhadores ou pessoas que trabalhavam

submetidas a este tipo de condio, mas seria a causa de diversos tipos de doenas ou males de

propores variadas, podendo provocar invalidez permanente, dores terrveis em articulaes e

rgos, ou at a morte.

A maioria das leses ou doenas causadas pela presso exercida sobre o corpo podem ser

justificadas utilizando alguns princpios ou leis da fsica, ao mesmo tempo em que estes mesmos princpios ou leis podem ser usados para a cura de muitos destes mesmos males.

Muitos anos depois da descoberta do mal que a presso e a descompresso poderiam

causar no corpo humano, alguns cientistas conseguiram desenvolver tcnicas de tratamento

utilizando hiperbaria (presso acima da presso atmosfrica) e hipobaria (presso abaixo da presso atmosfrica). Restava o desenvolvimento de equipamentos para este fim, que foram denominados mais tarde de cmaras hiperbricas e hipobricas, respectivamente (MOON; CAMPORESI, 1999).

O maior problema neste tipo de tratamento que as cmaras trabalham com um grande

volume de gs sob presso, sendo o oxignio (O2) um dos gases utilizados. Mesmo tendo sido inventadas no sculo XVII, os riscos de exploso e fogo ainda existem. Neste sentido, para

minimizar estes riscos, foram criadas normas e procedimentos, estabelecidos em comits de

certificao que restringiram o uso de alguns materiais e elevaram os critrios para o projeto estrutural deste tipo de equipamento (JAIN, 1999).

1.1 OBJETIVO

O objetivo deste trabalho determinar quais so os nveis seguros de tenso eltrica para a utilizao de circuitos eletrnicos utilizados em monitoramento clnico de pacientes sob

tratamento hiperbrico, alm de quais tipos de materiais podem ser utilizados. Para isto foi

11

construda uma cmara hiperbrica prottipo, onde a faiscncia (um dos modos e provocar a exploso da cmara) foram testadas em condies prximas da realidade do tratamento clnico. Alm disto, implementou-se um conjunto de dispositivos para monitorar e transmitir o sinal de ECG para mostrar que, respeitados determinados limites de segurana, equipamentos eletrnicos

podem operar dentro de cmaras hiperbricas.

1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO

No capitulo 2 apresentada a reviso do conhecimento sobre a hiperbaria, buscando na

bibliografia a histria da medicina hiperbrica, os princpios e leis da fsica que a regem, bem

como as caractersticas dos equipamentos de presso utilizados no tratamento e a fundamentao

clnica de diversos tipos de distrbios atendidos por esta especialidade mdica.

No capitulo 3 apresentado um estudo sobre faiscncia, por meio de ensaios feitos em

prottipo de cmara hiperbrica, onde foi possvel determinar qual a correlao entre a tenso

necessria ao surgimento de uma fasca em relao presso do ambiente, a partir de diversas

condies, como geometria e distncia entre eletrodos, tipo de gs no ambiente, temperatura e

umidade.

O captulo 4 mostra todas as etapas no desenvolvimento de um circuito para aquisio do

sinal de ECG e sua transmisso para fora da cmara, buscando componentes e configuraes que

funcionam com os menores nveis de tenso e corrente possveis, com a finalidade de minimizar o

risco de faiscncia e gerao de calor no ambiente de tratamento.

No captulo 5 so mostrados e discutidos os testes e resultados obtidos em bancada e em

um modelo miniaturizado de uma cmara hiperbrica monoplace, por meio do monitoramento do

sinal de ECG.

Finalmente, no capitulo 6 so apresentadas as concluses sobre o estudo e as

perspectivas para a realizao de trabalhos futuros.

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2 REVISO DO CONHECIMENTO

2.1 INTRODUO

O termo Medicina Hiperbrica tem sido utilizado para delinear os aspectos mdicos

referentes reao do ser humano quando exposto a um ambiente de maior presso gasosa que a

da atmosfera ao nvel do mar (MOON; CAMPORESI, 1999 a). A histria da medicina hiperbrica mais conhecida, ou at confundida, com a medicina

para mergulho. O fascnio pelo mergulho a grandes profundidades trouxe consigo uma srie de

desagradveis consequncias fsicas aos mergulhadores, particularmente quando subiam tona.

Na busca para a soluo deste problema foram desenvolvidas algumas aplicaes teraputicas em

ambiente hiperbrico.

O primeiro uso da terapia hiperbrica data de 1662 (MOON; CAMPORESI, 1999 a). Entretanto, os efeitos biolgicos da oxigenao hiperbrica limitaram-se apenas a estudos

acadmicos, at meados do sculo XX. De fato, somente nas ltimas trs dcadas a

oxigenoterapia hiperbrica tem sido sistematicamente explorada como uma medida teraputica

em vrios tipos de distrbios (C.H.O., 1992).

2.2 ASPECTOS HISTRICOS DA OXIGENOTERAPIA

Prximo ao ano de 1500, Leonardo da Vinci fez alguns esboos de aplicaes para

compartimentos de mergulho, sem desenvolver, contudo, algo prtico. Somente em 1620, o

inventor holands Cornelius Drebbel desenvolveu o primeiro sino de mergulho (JAIN, 1999). Seu dispositivo era muito limitado, especialmente porque o suprimento de ar era pressurizado em uma

atmosfera.

Em 1691, Edmund Halley, melhorou o sistema de suprimento de ar, utilizando grandes

barris. Este caminho foi seguido pelos prximos dois sculos, onde foram desenvolvidos

capacetes e roupas para mergulho, as quais permitiam mergulhos por uma hora ou mais (JAIN, 1999).

Mesmo estendendo a durao do tempo de submerso, os mergulhadores ainda estavam

limitados a pequenas profundidades. Por outro lado, os que tentaram ir mais fundo utilizando os

sinos submarinos passaram a sofrer o efeito do maior problema clnico associado ao mergulho: o

mal da descompresso, ou embolia tissular gasosa (BENNETT; MOON, 1990) (MOON;

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CAMPORESI, 1999 a). Este mal no possua tratamento com resposta efetiva at o surgimento, na metade do sculo XIX, da recompresso hiperbrica. Em resumo, foi descoberto que a

recompresso, utilizando ar-comprimido, aliviava os sintomas e os distrbios no ocorriam

novamente quando era executado um processo de descompresso lenta (MOON; CAMPORESI, 1999).

2.3 DESENVOLVIMENTO DA TERAPIA HIPERBRICA A AR-COMPRIMIDO

Em 1662, o fsico e clrigo britnico Henshaw usou o ar-comprimido com propsitos

mdicos. Henshaw desenvolveu uma cmara, a partir de um quarto hermeticamente fechado, no

qual condies de presso e clima variados podiam ser reproduzidos por meio de enormes foles

(JAIN, 1999). O uso comum da terapia hiperbrica comeou com o desenvolvimento de cmaras a ar-

comprimido, nas quais trabalhadores que escavavam tneis e construam pilares de pontes

estavam confinados a ambientes de elevada presso por algumas horas (MOON; CAMPORESI,1999 a). Entretanto, a partir de Henshaw no houve avano no desenvolvimento da hiperbaria teraputica por, aproximadamente, dois sculos (JAIN, 1999).

No sculo XIX renasceu o interesse pela terapia hiperbrica. Em 1834, na Frana, Junod

construiu uma cmara hiperbrica para tratar problemas pulmonares, utilizando presses de 2 a 4

atmosferas absolutas (ATA). A denominao ATA significa atmosfera absoluta, ou seja, a presso interna do

compartimento, adicionada da presso do meio externo. Caso haja pressurizao de um vaso a 2 atm ao nvel do mar (1 atm), diz-se que este vaso est com 3 ATA de presso.

O cirurgio francs Fontaine desenvolveu a primeira cmara hiperbrica mvel em 1877

e pouco depois, cmaras hiperbricas estavam disponveis em todas as grandes cidades europias

(JAIN, 1999). A figura 1 ilustra a cmara de Fontaine. O sistema de fole manual e permite o

bombeamento de ar-comprimido para o interior da cmara.

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Figura 1 - Cmara hiperbrica mvel de Fontaine Fonte: JAIN (1999).

2.4 RELAES ENTRE PRESSO-VOLUME, PRESSO PARCIAL E LEI DOS GASES

A presso exercida por um gs a soma das foras exercidas pelas molculas que o

compe sobre uma superfcie. Qualquer fator que aumente a velocidade destas molculas, ou o nmero de impactos na parede do vaso que as contm aumentar a presso do gs (C.H.O., 1992).

Para que possa ser entendido como a presso utilizada no tratamento clnico,

importante descrever algumas relaes e propriedades fsicas dos gases e lquidos.

2.5 RELAES E UNIDADES DE PRESSO

Presso (P), por definio, a fora (F) que um gs exerce em uma determinada rea (A), ou seja:

=

AFP (1)

No Sistema Internacional de Unidades (SI), a presso dada em N/m2, ou pascal (Pa), mas existem diversas outras unidades. Nas tabelas 1 e 2 so mostradas as unidades mais comuns e

suas respectivas converses.

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Tabela 1 - Unidades de presso

PSI FORA POR POLEGADA QUADRADA IN H2O POLEGADAS DE GUA

PA PASCAL ATM ATMOSFERAS BAR MICRO BAR

MM HG OU TORR MILMETROS DE MERCRIO OU TORRICELLI

Fonte: adaptada de Benedict (1984).

Tabela 2 - Relaes entre as unidades de presso

UNIDADE PRESSO PSI PA ATM BAR

MM HG

(TORR) 1 PSI 1,000 6894,76 6,805.10-2 68947,6 51,715

1 PA 1,45.10-4 1,000 101325 10 0,0075

1 ATM 14,696 105 1,000 1,0133.106 760,00

1 BAR 1,450 0,1 9,870 1,000 7,501.10-4

1 MM HG (0 C) 0,019 133,322 1,316.10-3 1333,2 1,000

Fonte: adaptada de Benedict (1984).

2.5.2 Efeitos da presso no volume

O efeito que permite definir a relao existente entre presso e volume de um gs

regido pela Lei de Boyle: o volume de um gs inversamente proporcional presso absoluta a

qual o gs est submetido. Esta condio vlida com quantidade de gs e temperatura

constantes.

Esta converso importante durante as mudanas na presso total. Assim, a mudana de

presso e volume de um gs pode ser dada por (C.H.O., 1992): ,2211 nn VPVPVP ===

(2)

onde o Pn a presso na ensima condio e Vn o correspondente ensimo volume.

Por exemplo, um volume pulmonar de 4 litros, retido ao prender a respirao, sujeito a 1 atm, reduz-se a 1 litro em uma cmara hiperbrica, caso a presso fosse de 4 atm (figura 2).

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Figura 2 - Curva Presso X volume, durante o processo de compresso e descompresso.

Fonte: adaptada de C.H.O. (1992).

A figura 2 ilustra, tambm, a situao na qual o volume de gs armazenado aumenta

durante a descompresso. Por exemplo, um volume de gs de 4 litros a 4 atm ser expandido para

16 litros, no momento em que a presso for reduzida a 1 atm.

Durante um mergulho, prender a respirao durante a descompresso, at em indivduos

normais quando sobem de uma profundidade no maior que 4,5 m, difcil. Este indivduo

poder ter superdistenso dos pulmes, rompimento do tecido pulmonar, entrada de ar na

circulao e morte por embolia gasosa. Em um processo de respirao natural, quando sujeita a compresses entre 1 e 4 atm, o volume pulmonar no muda, mas os pulmes a 4 atm estaro

ocupados por quatro vezes mais molculas de gs do que aquele ao nvel do mar (1 atm) (C.H.O., 1992).

A grande variao no volume pulmonar resulta em uma grande extenso no tecido dos

pulmes e o aumento do gradiente de presso hidrosttica, atravs da delicada pleura, resultando

em hemorragia ou barotrauma (BENNETT; MOON, 1990). Observa-se que esta elevada variao de volume no causa danos srios no ouvido mdio

(se houver equalizao da presso). Contudo, no caso do ar preso em um pulmo doente (enfisema), uma obstruo de ar nos brnquios far uma expanso do volume pulmonar na descompresso, causando srios danos (BENNETT; MOON, 1990).

17

2.5.3 Presso parcial de um gs em misturas gasosas

O efeito que permite definir qual a presso parcial de um gs em uma mistura gasosa

regido pela Lei de Dalton, que diz que em uma mistura gasosa, a presso de cada componente

independente da presso dos demais, sendo a presso total igual soma das presses parciais dos

componentes".

A Lei de Dalton permite, ento, escrever para o ar:

,2222 0 soutrosgaseNCOOHTOTAL PPPPPP ++++= (3)

onde, OHP 2 a presso parcial do vapor d`gua, 2COP a presso parcial de dixido de carbono,

2NP a presso parcial de nitrognio, 20P a presso parcial do oxignio e soutrosgaseP a presso

parcial dos demais gases que compem a atmosfera (JAIN, 1999). Como a atmosfera contm uma mistura de gases na proporo de 20,94% de oxignio

(O2), 78,08% de nitrognio (N2), 0,04% de dixido de carbono (CO2) e traos de outros gases (JAIN, 1999), ao nvel do mar (presso atmosfrica de 760 mmHg), a presso parcial do O2 ser de

, ,

,

mmHgP 14159100

942076020 == (4)

ou seja, aproximadamente 160 mmHg. Esta lei implica que, embora o percentual de O2 no ar permanea constante em todas as

altitudes razoveis, a sua deficincia devida queda da presso parcial, em razo direta da

queda da presso atmosfrica. Diminuindo a presso parcial de O2 no ar ambiente, diminui

tambm o O2 absorvido pelos alvolos pulmonares.

No clculo da presso parcial de gs na mistura, o vapor dgua deve ser considerado

como um dos gases presentes, enquanto que a maioria dos procedimentos de anlise dos gases

determina a composio percentual de gases secos (C.H.O., 1992). Ento, para determinar a presso parcial de um gs, em particular nos pulmes, onde o gs alveolar est saturado com

vapor dgua, a presso parcial do vapor dgua e do CO2 devem ser reduzidas do valor da

presso ambiente total, a fim de obter a presso de O2.

A presso de vapor dgua ( OHP 2 ), considerando temperatura corprea normal (37 C), de 47 mmHg (C.H.O., 1992). Portanto, aps medir o percentual de O2 no alvolo, a 20P alveolar

18

ser determinada por

( ),% 222 37 a 020 COCHIENTETOTALDOAMB PPPOP = (5)

onde 2%O o percentual de oxignio dissolvido no ambiente, ou seja, 20,94% ao nvel do mar. Por exemplo, ao inspirar o ar a 3,5 atm, a presso no ambiente ser de 2660 mmHg,

ento:

= mmHgmmHgmmHgmmHgP 547)1472660(100

94,2020 (6)

Substituindo o ar por O2 puro mesma presso tem-se:

=== mmHgPPPP OHCOTOTAL 261247126602220 (7)

Assim, fica evidente, acompanhando as equaes (4), (6) e (7) que h um incremento muito grande na presso parcial de O2, devido respirao do O2 puro, combinada com a

pressurizao do ambiente.

2.5.4 Presso parcial de gases em lquidos

A presso parcial de um gs em meio lquido regida pela Lei de Henry, onde "a

solubilidade de um gs em um lquido, a uma determinada temperatura, proporcional presso

parcial deste gs em contato com a soluo (C.H.O., 1992). Ou seja, quando a presso parcial de um gs aumenta, a quantidade de gs dissolvido no lquido tambm aumenta (BENEDICT, 1984).

O coeficiente de solubilidade varia para diferentes fluidos e dependente da temperatura,

sendo inversamente proporcional a esta. O coeficiente de solubilidade do O2 permite estimar a

dissociao do O2 se a PO2 for conhecida e vice-versa (JAIN, 1999).

2.6 O OXIGNIO (O2)

O O2 comercializado extrado do ar, principalmente por liquefao e destilao. Este

gs forma compostos com quase todos os elementos, exceto os halognios (flor, iodo, cloro, bromo e astato), alguns metais nobres e os gases nobres (COTTON; MURILLO, 1999). Sua avidez por eltrons faz com que ele reaja muito facilmente com inmeros compostos, modificando-os.

19

Sendo indispensvel para a combusto, por ser o alimento do fogo, denominado

comburente, aumentando a temperatura da chama. Assim, deve-se ressaltar que o O2 no

combustvel (COTTON; MURILLO, 1999).

2.6.1 O Efeito Fisiolgico do O2

O termo transporte de O2 engloba todos os processos envolvidos em sua mobilizao

pelo corpo humano, desde o ar inspirado at a mitocndria. A mitocndria fornece ao O2 os

eltrons desejados, alm de dotar a clula de um mecanismo altamente eficiente para aproveitar totalmente a energia contida nas molculas de glicose (MOON; CAMPORESI, 1999).

Infelizmente, o nvel de PO2 mitocondrial muito difcil de medir por ser muito baixo

(MOON; CAMPORESI, 1999).

2.6.2 O transporte do O2

O transporte de O2 para o ambiente celular ocorre devido ao gradiente de presses

parciais, conhecido como Efeito Cascata do Oxignio (MOON; CAMPORESI, 1999 a). O caminho do O2 dos pulmes at os demais rgos do corpo firmemente regulado pela

circulao sangunea. A maioria dos rgos necessita de um contnuo suprimento de O2, o qual

utiliza para produzir a energia. A quantidade extrada da circulao determinada pela demanda

metablica local, porm a quantidade disponvel determinada pelos pulmes, corao e sistema

circulatrio (MOON; CAMPORESI, 1999 a). O caminho que o O2 percorre no corpo humano inicia na inspirao do ar ambiente, entra

nos alvolos pulmonares, onde, por meio da hematose, efetua a oxigenao do sangue venoso,

passando pelo sistema arterial e capilares. Move-se atravs de fluidos intersticiais e intracelulares

at os pontos microscpicos do consumo deste O2, que so o endoplasma, retculo e mitocndria

(JAIN, 1999). A presso parcial de O2 no ar, que aproximadamente de 160 mmHg no ato de inspirar,

sofre um processo de perda de carga at atingir a mitocndria. Desta forma, no alvolo, sua

presso de 105 mmHg, no sangue arterial em torno de 95 mmHg e no capilar sistmico prximo

de 45 mmHg. A partir da difundido em direo aos tecidos, onde a presso inferior a 10

mmHg.

O movimento do CO2 no sentido oposto, mas tambm se processa por difuso

20

(GUYTON, 1984). Ambos os gases sofrem reaes na corrente sangunea, no incio e no fim do seu percurso, entre os pulmes e os tecidos perifricos.

A figura 3 ilustra o caminho do oxignio no corpo humano.

Ar ambiente 160 mmHg

Alvolos Pulmonares 105 mmHg

Capilares Pulmonares

Sangue Venoso (hematose)

Sangue Arterial

Corao 95 mmHg

Capilares 45 mmHg

Fluidos Intercelulares

Clula (perixioma, endoplasma, 2 a 3 mmHg

retculo, mitocndria) Figura 3 - Rota do oxignio no corpo humano. Fonte: adaptada de Jain (1999).

Um adulto normal de 70 kg de massa corporal transporta, aproximadamente, 1050 ml de

O2 por minuto, dos quais os tecidos consomem 250 ml/min. Para tanto, os pulmes movimentam

diariamente cerca de 10.000 litros de ar e recebem cerca de 8 mil litros de sangue venoso para ser

oxigenado (GUYTON, 1984).

2.6.3 Curva de Dissociao da Oxi-Hemoglobina

No sangue, o O2 transportado dissolvido no plasma e por meio da hemoglobina (Hb), formando a oxi-hemoglobina (HbO2). Cerca de 97 % do O2 retirado do ar transportado dos pulmes para os tecidos em combinao qumica com a hemoglobina nas hemcias, os 3%

restantes esto dissolvidos no plasma (KOEPPEN; LEVY; STANTON, 2006). Assim, em condies normais, o O2 transportado aos tecidos quase que totalmente pela hemoglobina

(GUYTON, 1984).

21

A figura 4 mostra a curva de dissociao Oxignio-Hemoglobina, que mostra o aumento

percentual progressivo da hemoglobina que se liga ao O2 quando a PO2 aumenta. Este fato e

denominado percentual de saturao da hemoglobina. Como o sangue que deixa os pulmes

tem uma PO2 aproximada de 100 mmHg, observa-se pela curva que a saturao de O2 est

prximo de 97 %. Por outro lado, a PO2 normal do sangue venoso que retorna dos tecidos

aproximadamente 40 mmHg, retratando uma saturao cerca de 70 % na hemoglobina

(GUYTON, 1984). Observa-se que um valor de 75 % na saturao de hemoglobina no significa que trs

quartos das molculas esto completamente saturadas e que as demais no. Significa que, em

mdia, trs tomos de ferro a cada quatro existentes na molcula de Hb esto ocupados por O2

(GUYTON, 1984).

Figura 4 - Curva de dissociao da Oxi-Hemoglobina. Fonte: adaptada de Guyton (1984).

Ento, se um indivduo respirando ar-puro possui a saturao da hemoglobina em torno

de 97 %, quando este for submetido a um ambiente com O2 puro, a saturao da hemoglobina ser

mxima (100 %). Agora, extrapolando para uma situao de aumento da presso do ambiente (3,5 atm), na

qual o indivduo est respirando O2 puro, pela Lei de Henry, o O2 ser dissolvido no plasma,

aumentando de forma significativa o seu percentual no corpo. Diz-se, ento, que a quantidade de

O2 dissolvido no plasma diretamente proporcional sua presso parcial (0,003 ml de O2 para cada 1,0 mmHg de presso, em 100 ml de sangue) (MOON; CAMPORESI, 1999). Respirando

22

100 % de O2, a PO2 se eleva para 2612 mmHg, de modo que a quantidade de O2 dissolvida no

plasma corresponder a cerca de 1,8 ml/100 ml de sangue.

2.6.4 A Toxidade do O2

H uma taxa bem determinada de concentrao de O2 onde existe vida. Diminuir ou

aumentar esta concentrao, mesmo em pequenas porcentagens, pode causar srios danos.

A toxidade do O2 foi primeiramente mostrada por Joseph Priestly, que descobriu este gs

em 1774 (MOON; CAMPORESI, 1999 a). Um sculo aps a descoberta, Paul Bert demonstrou que convulses e mortes de animais brevemente expostos a presses de O2 de 3 a 4 atmosferas

eram devidas a sua toxicidade (MOON; CAMPORESI, 1999 a). Em seguida, Smith demonstrou que exposies prolongadas de animais a presses de O2 de apenas 0,7 a 1,3 atm poderiam

produzir danos pulmonares letais (MOON; CAMPORESI, 1999 a). Estas manifestaes txicas no sistema nervoso central (SNC) e pulmes ficaram conhecidas como Efeito de Paul Bert e Efeito de Lorain Smith, respectivamente.

O O2 metabolicamente e farmacologicamente ativo, participando de muitas reaes

intracelulares, apresentando efeitos teraputicos e txicos de acordo com sua dose. Com tempo e

durao suficientes de exposio, o O2 eventualmente txico para todas as clulas e tecidos.

Cada tecido, entretanto, tem uma sensibilidade prpria a ele. Assim, algumas manifestaes

txicas ocorrem devido a exposies de hiperoxigenao presso ambiente, enquanto outras so

limitadas ao ambiente hiperbrico. A hiperoxigenao induz uma profunda modificao no

metabolismo dos tecidos (MOON; CAMPORESI, 1999 a).

2.6.5 Manifestaes Clnicas da Toxicidade do O2

O espectro clnico da toxicidade do O2 amplo. Os seus efeitos no SNC, pulmes e

olhos so os mais significativos clinicamente (MOON; CAMPORESI, 1999 a). Estudos tambm tm demonstrado efeitos txicos no tecido cardaco, renal, testicular e heptico (C.H.O., 1992).

Por este motivo, nas cmaras hiperbricas, o paciente deve ficar exposto ao O2 sob

presso apenas pelo tempo necessrio ao tratamento (mximo de duas horas), obtendo assim apenas os benefcios da oxigenao. A figura 5 ilustra alguns problemas relacionados alta

concentrao de O2 em rgos do corpo.

23

Figura 5 - Problemas relativos alta concentrao de O2. Fonte: adaptada de Moon e Camporesi (1999 a).

2.7 O SISTEMA HIPERBRICO

O ambiente hiperbrico um complexo de vasos e sistemas que permitem a

administrao de O2 em humanos, ou animais, sujeitos a uma presso que pode variar entre 1 e o nmero de atmosferas para o qual foi projetado (C.H.O., 1992).

O equipamento em si consiste de um ou mais vasos pressurizados, um sistema de

canalizao para O2 e/ou ar-comprimido, controle de fluxo, regulagem da temperatura e umidade

relativa do ar, sistemas eltricos e eletrnicos especiais, incluindo alguns casos de automao e

supresso de rudos.

Pela vasta diversidade em tamanho fsico e sua aplicao final, estendendo seu uso desde

um pequeno animal at um grupo de pacientes e sua equipe mdica, cada um dos aspectos

construtivos de uma cmara hiperbrica so variados. Porm, basicamente as cmaras podem ser

divididas em dois tipos, cmaras multiplace e cmaras monoplace. Nos Estados Unidos, a sua

construo regida pelas normas tcnicas ANSI /ASME (American Society of Mechanical Engineers) e norma PVHO (Safety Standard of Pressure Vessels for Human Occupancy) (ANSI/ASME, 1997).

2.7.1 Cmaras Multiplace

As cmaras multiplace so utilizadas na descompresso de mergulhadores e para

tratamento clnico coletivo em hospitais, onde vrios pacientes entram em um mesmo ambiente

pressurizado a ar-comprimido, respirando o O2 por meio de mscaras individuais.

Existem algumas vantagens agregadas ao tratamento hiperbrico em cmaras multiplace.

24

Entre elas, o custo do tratamento, que pode ser diludo entre vrios pacientes atendidos ao mesmo

tempo, podendo inclusive contar com a presena de uma equipe mdica dentro do ambiente

pressurizado. Entre as desvantagens das cmaras multiplace pode-se incluir a falta de

individualidade no tratamento, sendo que muitas vezes se forma um grupo de pacientes com

problemas clnicos diversos.

A figura 6 mostra uma cmara multiplace, com capacidade para oito lugares, produzida

pela empresa brasileira Ecotecmed LTDA (ECOTECMED, 2006).

A figura 7 mostra o princpio de utilizao de mscaras individuais para administrao

do O2 em cmaras multiplace.

Figura 7 - Administrao de O2 por meio de mscaras individuais em cmaras multiplace. Fonte: adaptada de Moon; Camporesi (1999 b).

(a) (b) Figura 6 - Vista externa (a) e detalhamento interno (b) de uma cmara multiplace produzida pela empresa Ecotecmed LTDA, com capacidade para oito pacientes. Fonte: adaptada de Ecotecmed (2006).

25

Neste tipo de tratamento a vedao das mscaras no perfeita. Por este motivo, mesmo

o ambiente pressurizado a ar-comprimido apresenta riscos adicionais de exploso e chamas, pois

pode estar enriquecido por O2.

Alguns tipos de mscaras utilizadas para administrar o O2 nos pacientes so similares s

mscaras utilizadas na aviao de caa, o que representa um alto custo agregado, principalmente

porque no existem similares nacionais (ECOTECMED, 2006).

2.7.2 Cmaras Monoplace

As cmaras monoplace, ao contrrio das multiplace, permitem um tratamento

individualizado, com o diferencial de todo o ambiente estar pressurizado com O2, no havendo

necessidade do uso de mscaras.

A figura 8 mostra um exemplo de cmara hiperbrica norte-americana, monoplace,

marca Sechrist, modelo 3300 H/HR (SECHRIST, 2006). A figura 9 mostra uma cmara de fabricao russa, monoplace, marca Khrunichev, modelo BLKS MK3 (ECOTECMED, 2006).

Figura 8 - Foto da cmara e vista interior da cmara monoplace da empresa Sechrist. Fonte: adaptada de Oxigenoterapia Hiperbrica (2004); Sechrist (2006).

Figura 9 - Foto da cmara monoplace modelo BLKS MK3, da empresa Khrunichev Space Center.

Fonte: adaptada de Ecotecmed (2006).

26

A diferena principal entre as duas cmaras est em sua construo, sendo a norte-

americana quase que integralmente em acrlico e a russa em ao, com algumas janelas de inspeo em acrlico.

As cmaras monoplace, alm de propiciar um tratamento individualizado, permitem um

maior conforto aos pacientes com problemas locomotores, ou sedados. A grande desvantagem o

maior custo de tratamento, onde o consumo de O2 alto, pois existe um fluxo laminar constante

pelo interior da cmara. Ressalta-se que este fluxo, alm de propiciar o tratamento utilizado para

empurrar o CO2 expirado pelo paciente para fora da cmara, mantendo a concentrao de O2 alta.

Adicionalmente, o fato de acomodar apenas um nico paciente sob tratamento aumenta os custos

referentes hora tcnica dos profissionais de sade. Mesmo assim, a maioria dos tratamentos em

oxigenoterapia hiperbrica feito nos Estados Unidos utiliza cmaras monoplace (MOON; CAMPORESI, 1999 b).

2.7.3 Tratamento Clnico em Cmaras Monoplace

Existem diversos problemas clnicos com indicao para tratamento em ambiente

hiperbrico. Tipicamente, os tratamentos em cmaras monoplace so feitos a uma presso de 2,0 a

2,5 ATA, com durao mdia entre 90 e 120 minutos (CAMPORESI; BARKER, 1991), dependendo do tipo de problema clnico do paciente. Um problema como a osteomielite crnica,

por exemplo, deve ser tratado a 2,0 ATA, com uma sesso de duas horas, uma vez ao dia, cinco

dias por semana. Ressalta-se que o sistema leva de 10 a 15 minutos para efetuar a compresso e o

mesmo tempo para descompresso (MOON; CAMPORESI, 1999). Contudo, o maior desafio para a equipe mdica ao iniciar um tratamento clnico em

cmaras monoplace reside no condicionamento do paciente e na inspeo prvia do ambiente

hiperbrico. O paciente sofre um verdadeiro checklist, retirando quaisquer objetos presos ao corpo, tais como anis, brincos, pulseiras e colares. O paciente necessita vestir uma roupa especial

com material anti-esttico, umedecer os cabelos e estar aterrado ao corpo metlico da cmara.

Todo este procedimento para evitar a eletricidade esttica, que pode provocar acidentes.

27

2.8 DETALHAMENTO DAS PARTES DE UMA CMARA HIPERBRICA

2.8.1 O Vaso de Presso

O vaso utilizado na cmara hiperbrica um container pressurizado com um gs,

projetado estruturalmente para suportar o volume e a presso para a qual foi especificado. O projeto estrutural mais eficiente para estes vasos em formato cilndrico ou esfrico

(C.H.O., 1992). Os vasos cilndricos usualmente tm flanges nas extremidades, com abertura para entrada e sada de pacientes. Estes vasos podem conter vrios compartimentos, dependendo do

servio a ser executado (mono ou multiplace).

2.8.2 Portas e Janelas

Todos os vasos de presso devem ser providos de portas para dar acesso a pacientes e ao

pessoal mdico. Todas as portas devem ser projetadas a fim de evitar aberturas acidentais quando a cmara estiver pressurizada.

Nas cmaras onde existe a necessidade de abertura para insero de alimentao ou

medicamentos, uma antecmara deve existir, com duas portas, onde ser colocada a alimentao

ou medicao para em seguida ser pressurizada para equilibrar a presso (C.H.O., 1992). No caso de janelas para inspeo, o material utilizado , normalmente, o acrlico, com espessura de uma polegada.

2.8.3 Acesso da Instrumentao Cmara

Principalmente em cmaras monoplace, onde os critrios de segurana eltrica so mais

rgidos devido presena do O2 puro, a instrumentao eletrnica escassa e onerosa. Alguns

equipamentos que no possuem alimentao eltrica, tais como ventiladores mecnicos e

medidores de presso no-invasiva, ficam do lado externo cmara pressurizada, sendo que

apenas os manguitos e alguns acessrios so imersos ao ambiente saturado em O2.

Para que possam ser passados esses manguitos para dentro da cmara, so necessrios

alguns orifcios que no alterem o projeto estrutural. Estes furos so revestidos por conexes e anis de segurana, denominados pass-through (MOON; CAMPORESI, 1999) que evitam a despressurizao da cmara.

A figura 10 ilustra um artifcio para infuso intravenosa de medicamentos ao paciente

28

sob tratamento em uma cmara monoplace.

Figura 10 - Sistema de infuso medicamentosa, onde uma cnula inserida no interior da cmara a partir de um pass-through vedado com anel de segurana.

Fonte: adaptada de Moon e Camporesi (1999).

2.9 PROTEES E CONTROLE DE AR EM CMARAS HIPERBRICAS

A segurana e o conforto dos ocupantes das cmaras dependem de equipamentos

adequados e confiveis, pois estaro expostos ao estresse mecnico pela presso, principalmente o

casco do vaso, conexes e dutos. Todo o ar ou O2 enviado cmara passa por um sistema de

vlvulas de servio, a uma presso sempre abaixo da mxima permitida na cmara (C.H.O., 1992).

Cada trava da cmara deve poder ser operada manualmente e do lado de fora. Em

algumas situaes, os controles que ajustam a taxa de pressurizao podem ser comandados pelo lado de dentro da cmara, porm um sistema idntico de controle externo tem prioridade. Caso o

controle de pressurizao e ventilao seja automtico, dever existir um controle manual com a mesma prioridade de acesso (C.H.O., 1992).

Para cmaras multiplace um sistema de exausto deve ser implementado nas cmaras.

Este sistema existe como segurana contra incndios, pois se existir ameaa de fogo em uma

cmara multiplace, o sistema corta o O2 que estava sendo mandado pelas mscaras, enviando ar-

comprimido, enquanto a cmara preenchida com CO2 para a extino do fogo (ECOTECMED,

29

2006).

2.10 MATERIAIS PERMITIDOS EM CMARAS HIPERBRICAS

De acordo com a Agncia Nacional de Proteo contra Incndio norte-americana

(NFPA), cmaras monoplace so classificadas como Classe B, enquanto a multiplace Classe A (MOON; CAMPORESI, 1999). Por existir O2 no interior de cmaras monoplace h mais restries quanto aos materiais para sua construo e confeco de acessrios.

O acrlico e o ao so os materiais mais utilizados na confeco de cmaras hiperbricas,

porm o alumnio uma opo vlida devido ao baixo peso. Somente materiais como algodo ou

tecido sinttico anti-esttico so permitidos em equipamentos Classe B (C.H.O., 1992). Alguns materiais no devem existir em um ambiente hiperbrico, entre eles as graxas,

solventes, cosmticos (loes e leos) e sprays para cabelo. Todos estes produtos devem ser retirados do corpo do paciente antes do incio da sesso.

2.11 ACIDENTES EM CMARAS HIPERBRICAS

J foram registrados muitos acidentes em cmaras hiperbricas, tanto mono quanto

multiplace. Os acidentes so de natureza diversa, porm a maioria dos casos foi devida entrada

de substncias proibidas e/ou condies de trabalho no permitidas durante o tratamento. As

consequncias de um acidente em cmaras variam desde a morte do paciente pela descompresso

abrupta (pneumotrauma e embolia gasosa), at um incndio e a exploso de todo o ambiente de tratamento (MOON; CAMPORESI, 1999).

A tabela 3 mostra alguns acidentes registrados em cmaras hiperbricas.

30

Tabela 3 - Registro de acidentes em cmaras hiperbricas

DATA/PAS TIPO % O2 MORTES FERIDOS CAUSA PROVVEL

1923-EUA MULTIPLACE AR 0 0 AQUECEDOR EXTERNO A GS

CAUSOU QUEIMA DO ISOLAMENTO INTERIOR. CMARA FOI EVACUADA

1967-JAP MONOPLACE 50 % 1 0 AQUECEDOR DE MO POR BENZENO INCENDIOU ROUPA

1969-JAP MULTIPLACE 73 % 4 0 FAGULHAS DO CABEAMENTO DA CMARA INCENDIOU JORNAL 1973-FRA MONOPLACE 100 % 1 0 NO RELATADO

1974-RUS MULTIPLACE AR 3 0 FAGULHA ELTRICA INCENDIOU CMARA A 3,8 ATA

1978-ING MONOPLACE 100 % 1 0 FAGULHA ELETROSTTICA EM UMA

BANDEJA DE FIBRA DE VIDRO INCENDIOU COLCHO

1979-JAP MONOPLACE 100 % 1 6 PACIENTE TENTOU ACENDER CIGARRO 1983-

CHINA MONOPLACE 100 % 1 0 ELETRICIDADE ESTTICA 1984-

CHINA MONOPLACE 100 % 1 0 ELETRICIDADE ESTTICA 1986-

CHINA MONOPLACE 100 % 1 0 ELETRICIDADE ESTTICA 1986-

CHINA MONOPLACE 100 % 1 0 CURTO ELTRICO NO FONE 1987-

CHINA MONOPLACE 100 % 1 0 ELETRICIDADE ESTTICA 1987-

CHINA MULTIPLACE AR 8 0 FAGULHAS DE BRINQUEDO

ELTRICO 1987-

ITALIA MONOPLACE 100 % 1 0 FAGULHAS DE BRINQUEDO DE

FRICO INCENDIARAM O COLCHO

1989-JAPAO MONOPLACE 60-90% 1 0

AQUECEDOR DE MO A BENZENO AQUECEU E INCENDIOU A ROUPA

1989-EUA MULTIPLACE AR 0 0 COBERTOR AQUECIDO EM MICROONDAS INCENDIOU

ESPONTANEAMENTE

1989-CHINA MONOPLACE 100 % 1 0

PACIENTE INCENDIOU A ROUPA COM ACENDEDOR DE CIGARRO

(SUICDIO ?) 1993-BELG MONOPLACE 100 % 1 0 AQUECEDOR DE MO A BENZENO AQUECEU E INCENDIOU A ROUPA 1993-JAP MONOPLACE 100 % 1 0 FUMAR

1993-CHI MULTIPLACE AR 8 0 CURTO CIRCUITO NO AR CONDICIONADO 1993-RUS MONOPLACE 100 % 1 0 CURTO-CIRCUITO ALTO-FALANTE

1994-CHI MULTIPLACE AR 7 0 CURTO CIRCUITO NO AR CONDICIONADO

1994-CHI MULTIPLACE AR 11 0 CURTO CIRCUITO NO AR CONDICIONADO 1995-RUS MONOPLACE AR 1 0 -

1996-JAP MONOPLACE 100 % 2 2 AQUECEDOR DE MO QUMICO INCENDIOU COBERTOR 1996-ING MONOPLACE AR 1 0 FUMAR

1997-CUB MONOPLACE 100 % 1 0 BRINQUEDO DE CRIANA INCENDIOU 10 MINUTOS ANTES DO

31

TRMINO DO TRATAMENTO

1997-ITA MULTIPLACE AR 11 0 AQUECEDOR DE MO DE BUTANO

1997-TUR MULTIPLACE AR 3 0 ACHADO ACENDEDOR DE CIGARRO NO INTERIOR DA CMARA Fonte: adaptada de Oxigenoterapia Hiperbrica (2004).

Na tabela 4 apresentada a estatstica total dos acidentes, subdividindo por grupos e

tipos de cmaras utilizadas.

Tabela 4 - Tipo de acidente em cmaras multiplace

TIPO DE CMARA/TRATAMENTO ACONTECIMENTOS FONTE DE IGNIO CLNICA MERGULHO HIPOBRICO ACIDENTES MORTES

ARCO OU FAGULHA ELTRICA (EQUIPAMENTOS ELTRICOS)

7 12 5 24 63

ELETRICIDADE ESTTICA 7 1 0 8 6 AQUECEDOR DE MO 5 0 0 5 16 FUMAR / ACENDEDOR DE CIGARRO

6 7 0 13 17

FONTE EXTERNA 2 0 0 2 0

BRINQUEDO DE CRIANA 3 0 0 3 10 SOLDA 0 2 0 2 3

DESCONHECIDO 2 0 0 2 2

TOTAL 32 22 5 59 117

Fonte: adaptada de Oxigenoterapia Hiperbrica (2004). A tabela 5 mostra a quantidade de O2 contido no ambiente da cmara multiplace no

momento do acidente, devido principalmente ao vazamento nas mscaras individuais, enquanto

na tabela 6 descrito o resultado de alguns ensaios com determinados materiais e a capacidade de

combusto mediante determinada concentrao de O2.

Tabela 5 - Quantidade de O2 na cmara hiperbrica multiplace no momento em que aconteceu o acidente

% O2 CLNICA MERGULHO HIPOBRICO ACIDENTES MORTES MENOR QUE 20 % 0 1 0 1 0 ENTRE 21 E 24 % 2 3 0 5 7 MAIOR OU IGUAL A 28 % 22 8 5 35 54 DESCONHECIDO 8 10 0 18 56

TOTAL 32 22 5 59 117 Fonte: adaptada de Oxigenoterapia Hiperbrica (2004).

32

Tabela 6 - Ensaio sobre o tipo de materiais e sua combusto

COMBUSTO EM MISTURAS DE 02/N2 MATERIAL EM POSIO VERTICAL

21% O2 31% O2 41% O2

PAPEL IMPREGNADO COM BREU QUEIMOU VELUDO DE ALGODO QUEIMOU LONA DE ALGODO QUEIMOU VELUDO DE ALGODO, TRATADO COM ROXEL NO NO QUEIMOU FORRO DE ESTOPA DE ALGODO TRATADO COM ROXEL

SUPERFCIAL QUEIMOU TECIDO FINO DE ALGODO, TRATADO COM ROXEL NO QUEIMOU CORDA FINA DE ALGODO TRATADA COM ROXEL NO QUEIMOU LONA BRANCA DE ALGODO TRATADA COM ROXEL

NO QUEIMOU CORDA GROSSA DE ALGODO TRATADA COM ROXEL

NO QUEIMOU LONA DE ALGODO TRATADA COM 30% DE CIDO BRICO E 70% DE BRAX

NO QUEIMOU VELUDO DE ALGODO, TRATADO COM 30% DE CIDO BRICO 70% BRAX.

NO QUEIMOU LONA DE ALGODO RESISTENTE AO FOGO NO QUEIMOU NYLON RESISTENTE TEMPERATURA NOMEX NO QUEIMOU

Fonte: adaptada de Oxigenoterapia Hiperbrica (2004).

2.12 CURVAS DE PASCHEN

Conforme mostrado nas tabelas 3, 4, 5 e 6, os registros de acidentes em ambientes

hiperbricos mostram que grande parte deles foi causada por fascas ou descargas eletrostticas.

Para determinar qual o campo eltrico necessrio para deflagrao de uma fasca, so utilizados

alguns conjuntos de curvas, denominadas de Curvas de Paschen. Em Belnap (2001) e Heylen (2006) so mostrados alguns conjuntos de curvas para gases puros. Em detalhe, na figura 11 so mostradas as curvas para o ar-comprimido, H2, N2, Ne, He, CO2 e O2.

O eixo das abscissas relaciona o produto presso.distncia entre os eletrodos, enquanto

no eixo das ordenadas est representado o potencial eltrico mnimo (em volts) para a deflagrao de uma fasca.

33

Figura 11 - Curvas de Paschen para gases puros. Fonte: adaptada de Belnap (2001).

Para que os dados referentes ao ar-comprimido e O2 fossem melhor visualizados, foram

isoladas apenas as duas curvas, j convertendo as unidades do eixo das abscissas em unidades do Sistema Internacional (pascal.metro). As curvas de Paschen para o ar e para o O2 podem ser visualizadas na figura 12.

Presso.distncia (Pa.m)20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Ten

so

(V

olts

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Paschen Ar-comprimidoPaschen O2

Figura 12 - Curvas de Paschen para Ar e O2. Fonte: adaptada de Belnap (2001).

34

Pode se observar que as duas curvas so muito prximas. Considerando que a cmara

est sob presso de trabalho de aproximadamente 300 kPa e definindo a distncia mnima entre

dois condutores de 0,5 mm, no caso de alguns componentes eletrnicos em SMD (Surface Mount Device) (este caso, porm, particular e considera-se as trilhas em paralelo, desconsiderando que existam pontas), o resultado do produto :

).( 5. .. mPadP 1501010300 43 == (8)

onde, P a presso do gs (em pascal) e d a distncia (em metros) entre os eletrodos, por meio dos quais acontece a deflagrao da fasca.

Colocando estes dados no grfico da figura 12, e analisando a curva de Paschen para o

O2, obtm-se um potencial eltrico entre 2000 e 2500 V.

A resoluo desta curva relativamente baixa (centenas de volts). De qualquer forma, ela importante para verificar que qualquer circuito dentro de uma cmara no deve apresentar

diferena de potencial que ultrapasse este valor para uma distncia entre eletrodos de 0,5 mm.

Deve-se ressaltar, no entanto, que as caractersticas desta curva foram estabelecidas para

gases puros, secos, eletrodos planos (placas paralelas), temperatura ambiente de 23 C e freqncia de 400 Hz, ou seja, uma condio particular (BELNAP, 2001). Caso haja variao na umidade ou na temperatura do ambiente (devido ao paciente), presena de partculas slidas de material combustvel, como determinados tipos de poeira ou pedaos de tecidos (material interno cmara), estes nveis de potencial para a gerao das fascas podem ser alterados de maneira significativa.

2.13 CONCLUSES

A utilizao de cmaras pressurizadas com O2 para tratamento de pacientes mostra que

este tipo de ambiente crtico quanto utilizao de equipamentos que possam produzir fascas,

devido aos nveis de tenso utilizados. Ressalta-se que a maioria dos acidentes registrados em

cmaras monoplace foi devido faiscncia (tabelas 3 e 4). Por meio dos resultados da curva de Paschen, que trata da possibilidade de uma diferena

de potencial (ddp) produzir fascas no ambiente hiperbrico, pode-se observar que esta ddp est acima dos 2000 V, quando a distncia entre condutores estiver em 0,5 mm. Para estabelecer uma

ampla margem de segurana, os circuitos internos devem apresentar diferenas de potenciais de

35

no mximo algumas dezenas de volts. Porm, isto ainda no significa que a utilizao de circuitos

com tenses baixas (poucas dezenas de volts) perfeitamente segura, pois a curva de Paschen foi traada em condies particulares de temperatura, umidade relativa e pureza dos gases, o que no

ocorre no ambiente hiperbrico real, onde a temperatura e umidade so influenciadas pela

presena do paciente.

Alguns materiais (tabela 6) so significativos na produo de fogo e/ou exploso em uma cmara hiperbrica. Ou seja, alm do desenvolvimento de circuitos eletrnicos que operem com baixas tenses (minimizar o risco de faiscncia), baixas correntes (para minimizar o calor produzido), deve-se ter cuidados especiais na escolha dos materiais, como por exemplo, baterias e capacitores eletrolticos, pois podem causar reaes qumicas que provoquem acidentes.

36

3 ENSAIOS SOBRE FAISCNCIA EM CMARAS HIPERBRICAS MONOPLACE

3.1 INTRODUO

Os dados disponveis nas Curvas de Paschen (figuras 11 e 12) foram obtidos em condies particulares, que no so exatamente as mesmas existentes em um ambiente

hiperbrico. Alteraes de temperatura, umidade relativa do ar e o formato dos eletrodos podem

modificar a tenso mnima necessria para deflagrar fascas. Por este motivo, importante

reproduzir as condies reais da cmara monoplace (o mais prximo da realidade), preferencialmente simulando os piores casos quando da utilizao de circuitos eletrnicos neste

tipo de ambiente.

Assim, com a finalidade de verificar o valor da tenso capaz de produzir fascas nas

condies normais de tratamento hiperbrico, foi construdo um prottipo de cmara monoplace,

em escala reduzida, preparada para diversos tipos de ensaio, incluindo testes de faiscncia em

circuitos eletrnicos.

3.2 CONDIES EXPERIMENTAIS

O prottipo de cmara foi construdo em acrlico e alumnio, com dimenses de 400 mm

de comprimento, 150 mm de dimetro e parede acrlica de 10 mm de espessura. As conexes e

tubulaes para entrada de gases foram confeccionadas com materiais certificados para utilizao

em vasos de presso (ANSI/ASME, 1997). Um manmetro da marca Wikai foi utilizado para indicar a presso interna de trabalho

dentro do equipamento, com fundo de escala em 400 kPa (aproximadamente 5 ATA). Como medida preventiva, em relao segurana da pesquisa, foi implementado no prottipo uma

vlvula de segurana, do tipo PSV (Pressure Safety Valve), de forma a garantir que no haja expanso abrupta de gases, devido principalmente a uma possvel exploso, ou mesmo que o vaso

seja submetido a uma presso maior que a especificada. A figura 13 ilustra a vista explodida da cmara prottipo, onde possvel observar os

flanges de alumnio (2 e 3) para conexo com o tubo cilndrico em acrlico (1). Um anel em teflon (4) proporciona a vedao do dispositivo. As extremidades so presas por meio de parafusos passantes (12). No flange (2) se encontram as tomadas para a conexo da mangueira de entrada de

37

gases (18), o manmetro (19) e a vlvula de proteo (17) contra sobrepresso (PSV). No flange (3) foi inserida uma janela de inspeo (6), devidamente vedada por um anel

de grafite (7), onde a cmara pode ser acessada internamente sem que haja necessidade de sua desmontagem total. As duas hastes metlicas (15) so utilizadas para conectar eletricamente os eletrodos internos cmara com a fonte de tenso contnua do lado de fora. Por este motivo, estas

hastes possuem isolamento eltrico em relao tampa metlica (6).

Figura 13 - Cmara monoplace prottipo vista explodida. Fonte: autoria prpria

O prottipo possui ainda uma estrutura interna mvel, projetada especificamente para colocao e ajuste fino da distncia entre diversos tipos de eletrodos a serem testados. Os eletrodos so inseridos no suporte (14), onde um sistema de fuso graduado (11) capaz de produzir um ajuste fino, movendo as peas (8 e 9), e mantendo assim sempre a mesma distncia para todos os ensaios, permitindo que as medidas possuam repetibilidade. A figura 14 mostra a

cmara prottipo construda, com o detalhe do mecanismo interno.

38

Figura 14 - Cmara monoplace prottipo Fonte: autoria prpria

Devido s condies de segurana do ambiente da equipe de pesquisa, os testes que

oferecem maior risco de exploso foram realizados no interior de uma caixa de proteo em ao,

com dimenses de 1000 mm de comprimento, 500 mm de largura, 600 mm de altura e espessura

de 8 mm. Sua finalidade principal confinar os estilhaos, caso houvesse exploso ou falha

mecnica da cmara durante o experimento.

Na figura 15 mostrada a plataforma de ensaio em bancada (ainda sem a caixa de proteo). Uma fonte de tenso contnua (DC), do fabricante 3B, modelo U3310, com fundo de escala at 5000 V, foi utilizada para gerar as fascas. Para que pudesse ser monitorada a tenso no

momento da primeira fasca foi utilizado um osciloscpio conectado a um circuito divisor

resistivo, adquirindo assim apenas uma amostra da tenso responsvel pela fasca. A temperatura

e umidade relativa do ar no interior da cmara foram monitoradas utilizando-se um medidor

analgico, marca RENRU, modelo N35.

39

Figura 15 - Ambiente de ensaio em bancada para verificao de faiscncia. Fonte: autoria prpria

3.3 COMPARAO DE FAISCNCIA ENTRE AR-COMPRIMIDO E O2

Os dados contidos na figura 12 no so conclusivos, pois em uma situao real de

tratamento hiperbrico o nvel de faiscncia utilizando O2 puro pode ser diferente em relao ao

ar-comprimido. Para sanar estas dvidas, um nico experimento (em uma condio particular) foi executado utilizando os dois principais gases de interesse para a pesquisa.

Inicialmente o prottipo foi pressurizado com O2 puro, por meio de um cilindro. As

condies dentro da cmara no momento do ensaio variaram entre 20 e 25C de temperatura, com

umidade relativa entre 65 e 75%, situao compatvel com o ambiente real de tratamento

(Oxigenoterapia Hiperbrica, 2004). Foram utilizados como eletrodos um par de agulhas de ao inox, com 1 mm de dimetro,

a uma distncia de 0,5 mm entre elas. Foi escolhida esta condio por existir pouco material

combustvel em relao ao gs comburente (O2) dentro da cmara. Ou seja, uma situao que oferece uma maior segurana, j que no se pode estabelecer o real potencial destrutivo que uma exploso deste prottipo pode causar. De qualquer maneira, todas as precaues de segurana

foram tomadas com a finalidade de isolar o ambiente relativo ao experimento, caso houvesse fogo

ou exploso durante o ensaio.

A presso no interior da cmara monitorada por meio da leitura no manmetro

analgico. Foram estabelecidas escalas crescentes de presso, desde a presso atmosfrica

40

(aproximadamente 1 ATA), at presses de 300 kPa (4 ATA), com incrementos de 25 kPa. Estabilizada a presso interna desejada, incrementada de forma lenta e gradual a tenso no gerador at que a primeira fasca entre os eletrodos acontea. Esta fasca foi detectada na tela do

osciloscpio, quando h modificao repentina na forma de onda da tenso aplicada.

Em seguida, o prottipo foi condicionado para ser pressurizado com ar-comprimido,

utilizando o mesmo protocolo de ensaios para o O2, inclusive mantendo os mesmos eletrodos e na

mesma distncia.

Na figura 16 so mostradas as curvas comparativas entre os resultados do experimento

realizado, utilizando O2 e em seguida ar-comprimido, bem como a relao entre os dois gases no

ensaio realizado por Belnap (2001) da figura 12. Curva de faiscncia O2 x ar-comprimido

Presso. distncia (Pa.m)20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Ten

so

(vo

lts)

0

1000

2000

3000

4000Ponta 1 mm Ar-comprimidoPonta 1 mm O2Curva Paschen Ar-comprimidoCurva Paschen O2

Figura 16 - Comparativo entre as curvas de tendncia da tenso em relao ao produto presso.distncia para o ensaio utilizando ar-comprimido e O2. Fonte: adaptada de Belnap (2001) Quanto ao gs interno cmara, atravs dos grficos da figura 16, os resultados da

faiscncia utilizando ar-comprimido e O2 so muito prximos.

Considerando que o tratamento hiperbrico realizado a uma presso de 3 ATA

(equivalente a relao P.d 140), a diferena entre a tenso responsvel pela primeira fasca quando se utiliza O2 aproximadamente 4 % menor que quando se utiliza ar-comprimido. Isso

significa que os demais ensaios podem ser feitos utilizando apenas ar-comprimido, sem que haja

41

uma diferena significativa nos resultados. Esta ao tambm visa obter maior segurana em

bancada.

3.4 ENSAIOS DE FAISCNCIA

No ensaio anterior foi utilizado apenas um tipo de eletrodo. Nesta etapa, foram

colocados eletrodos de diversos formatos, tais como mais um tipo de agulha metlica, com

dimetro diferente (2 mm), onde foi simulada a diferena entre as pontas. Em seguida, duas lminas de barbear com as faces de corte dispostas frente a frente, reproduzem o efeito de trilhas

de circuito impresso isoladas pelo ar. E, complementando em uma situao real de uso, foi feito o

ensaio da faiscncia entre as trilhas de cobre de uma placa de circuito impresso em fibra de vidro,

visando ensaiar os eletrodos paralelos contendo material slido como isolante.

A distncia entre os eletrodos para todos os ensaios foi mantida fixa em 0,5 mm, porque

alm de manter o padro em relao ao primeiro teste, tambm a menor distncia existente entre

duas trilhas da placa de circuito impresso em encapsulamento PSOP (Plastic Small-Outline Package), utilizados neste ensaio e onde foram soldados alguns componentes eletrnicos em SMD (Surface Mountage Device).

A tabela 7 mostra os dados adquiridos nos ensaios, onde relacionada a tenso mnima

necessria para a formao da primeira fasca, em relao aos valores da presso interna na

cmara. Foram realizadas 10 (dez) medidas para cada relao de P.d.

Tabela 7 - Dados referentes tenso capaz de provocar a primeira fasca versus o produto da presso do ambiente e a distncia entre os eletrodos

Presso.distncia Tenso (volts)

(Pa.m) Agulha 1 mm Agulha 2 mm Lminas Trilhas da PCI

45,6 1680 1488 936 804

57,86 1824 1656 984 891

70,12 2064 1848 1020 996

82,37 2256 2040 1110 1089

94,63 2472 2184 1212 1188

106,89 2688 2328 1320 1251

119,15 2736 2496 1440 1404

131,40 2976 2880 1506 1467

143,66 3360 2960 1626 1668

155,92 3480 3130 1725 1830

168,18 3570 3270 1812 2160

180,43 3750 3400 1950 2280

192,69 3990 3590 2076 2400

Fonte: autoria prpria

42

Atravs dos dados contidos na tabela 7, foi traado na figura 17 um conjunto de curvas da tenso DC em relao ao produto presso e distncia.

Curvas de Faiscncia

P.d (Pa.m)20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Ten

so

(vo

lts)

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Agulha de 2 mmLminas de barbear Agulha de 1 mmTrilhas de PCI

Figura 17 - Curvas da tenso entre os eletrodos em relao ao produto presso.distncia Fonte: autoria prpria

Analisando os dados, observa-se, primeiramente, que a faiscncia ocorre com maior

facilidade quanto menor a presso no ambiente, seguindo como esperado na Curva de Paschen,

(BELNAP, 2001), para aquela faixa de P.d. Quanto aos eletrodos utilizados, observa-se que a menor tenso exigida para a formao

de uma fasca acontece entre as trilhas da placa de circuito impresso. Com o incremento um

pouco maior no potencial, ocorre a primeira fasca entre os eletrodos metlicos planos e com um

acrscimo relevante no valor da tenso, as fascas comeam a ocorrer nos eletrodos pontiagudos

(agulhas), tendo o menor potencial para uma agulha de 2 mm de dimetro, seguida da agulha de 1 mm.

A diferena nos resultados dos dois ensaios (lmina e trilhas da placa de circuito impresso) pequena, mas esta diferena pode estar relacionada diferena de permissividade eltrica entre os materiais (fibra de vidro e ar).

Os limites de tenso encontrados para a formao de fascas na Curva de Paschen em

Belnap (2001) so substancialmente inferiores aos realizados no ensaio em bancada. O tipo de

43

eletrodo influencia significativamente, conforme observado nos dados da tabela 7. Alm disto, em

Belnap (2001) e Heylen (2006) foi utilizada tenso com frequncia de 400 Hz, enquanto que o presente ensaio foi feito com tenso DC (0 Hz).

No entanto, em uma condio real de tratamento hiperbrico em cmaras monoplace,

supondo que possam existir extremidades pontiagudas metlicas a uma distncia mnima de

0,5mm, em um ambiente pressurizado a 300 kPa (aproximadamente 3 ATA, com relao P.d 140), a tenso mnima para produzir a primeira fasca superior a 3000 V. Para esta mesma relao, caso exista faiscncia entre as trilhas das placas de circuito impresso, a tenso est perto

dos 1000 V.

3.5 CONCLUSES

Existe correlao entre os ensaios realizados e a Curva de Paschen em Heylen (2006) e Belnap (2001), no que diz respeito maior dificuldade de ocorrer fascas em um ambiente pressurizado (como o existente nas Cmaras hiperbricas), comparado a um ambiente para tratamento clnico sob presso atmosfrica normal. Isto significa que os ensaios sobre faiscncia

em equipamentos eletrnicos podero ser feitos sob as condies atmosfricas normais, pois este

ainda uma situao de pior caso. Caso exista necessidade de executar ensaios em um

ambiente pressurizado, pode ser utilizado ar-comprimido no lugar do O2, pois a diferena de 4%

obtida nos ensaios pode ser desprezada ou mesmo compensada nos resultados finais.

De qualquer forma, h uma preocupao constante sobre a segurana do ambiente

hiperbrico devido aos relatos sobre acidentes envolvendo cmaras monoplace e multiplace,

principalmente quando da ocorrncia de uma fasca e qual seria a proporo deste acidente. No

experimento com a cmara pressurizada a O2 foram verificados os nveis de tenso responsveis

pela primeira fasca, em diferentes presses, onde no houve incndio ou exploso do ambiente,

comprovando que no h este tipo de risco, enquanto a quantidade de comburente internamente

for muito maior que o material combustvel, tal como roupas, travesseiros e curativos.

Os resultados mostrados na tabela 7 podem estabelecer alguns limites superiores no que

tange utilizao de circuitos e dispositivos eletrnicos para monitoramento em cmaras

monoplace, devendo ser observada, alm da tenso de alimentao dos circuitos, a distncia entre

trilhas das placas de circuito impresso nos equipamentos internos cmara.

44

4 DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA TELEMTRICO PARA MONITORAO DO SINAL DE ECG NO AMBIENTE HIPERBRICO

4.1 INTRODUO

Para se poder avaliar na prtica as tecnologias disponveis para o desenvolvimento de

circuitos eletrnicos capazes de monitorar o estado de pacientes em ambientes hiperbricos,

optou-se pela construo de um equipamento de captao, transmisso e registro do sinal de

eletrocardiograma (ECG). A escolha deste tipo de equipamento foi porque, alm de sua importncia clnica para um paciente sob tratamento com a sade debilitada, o sinal de ECG

contnuo (maior consumo de energia) e requer circuitos eletrnicos para o tratamento do sinal relativamente mais complexos (WEBSTER, 1998).

4.2 O EQUIPAMENTO DE ECG TELEMTRICO

Para a aquisio do sinal de ECG dentro da cmara hiperbrica monoplace ser

necessrio, alm do circuito de alimentao, um amplificador, em geral composto por um

amplificador de instrumentao, um conjunto de filtros e um transmissor para enviar este sinal para fora da cmara, onde o mesmo ser recebido, tratado e apresentado em um monitor cardaco.

A figura 18 mostra o diagrama em blocos do equipamento de ECG telemtrico proposto.

Figura 18 - Monitoramento do sinal de ECG em um paciente sob tratamento hiperbrico. Fonte: autoria prpria

4.3 LIMITAES DE MATERIAIS E DISPOSITIVOS NO AMBIENTE HIPERBRICO

Confome mencionado anteriormente, devido ao alto risco do ambiente pressurizado com

45

O2, as cmaras hiperbricas possuem diversas limitaes no que diz respeito aos materiais que

podem ser utilizados em seu interior durante sua operao.

Conforme os ensaios descritos anteriormente (tabela 6), a presena de alguns materiais utilizados na vestimenta dos pacientes, como o algodo, so combustveis e queimam na presena

de O2 a menos de 50% de concentrao. Ou seja, se houver faiscncia o material interno cmara poder provocar fogo e/ou exploso. Da mesma forma, a presena de fonte de calor poder

provocar acidentes (tabela 4). Assim, alm de estabelecer limites quanto aos nveis de tenso e corrente a serem

empregados pelo circuito alocado dentro da cmara, os materiais envolvidos no encapsulamento e

confeco de seus componentes devem ser criteriosamente escolhidos. Isto , deve-se tomar

cuidado com materiais que possam apresentar risco ao ambiente.

Por este motivo, fica claro que a utilizao de baterias e capacitores eletrolticos (pelos materiais que os compem) devem ser evitados.

4.4 ALIMENTAO DO CIRCUITO JUNTO AO PACIENTE

Descartado o uso de baterias e de capacitores eletrolticos que inviabilizam at uma

possvel alimentao passiva utilizando acoplamento eletromagntico, resta a utilizao de clulas

fotovoltaicas. De qualquer forma, deve-se ressaltar que os nveis de tenso em um ambiente

hiperbrico devem estar abaixo de 28 V (NPFA 99, 1999).

4.4.1 Clulas Fotovoltaicas

As clulas fotovoltaicas so dispositivos que utilizam materiais semicondutores, gerando

eletricidade atravs da incidncia de luz (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2004). So compostas basicamente de uma estrutura multicristalina de silcio, tendo baixo custo e facilidade no processo

de manufatura (SILICON SOLAR, 2005). Podem gerar eletricidade com a incidncia de luz solar (RUEDA; LISBONA;

HERRERO, 2003) ou de luz artificial de ambientes cobertos (SANYO, 2006), sendo que a eletricidade gerada com a luz artificial pode ser utilizada para alimentar circuitos eltricos de

baixo consumo (IQ-USP, 2006). As caractersticas tcnicas de alguns modelos de clulas fotovoltaicas flexveis constam

na tabela 8.

46

Tabela 8 - Caractersticas eltricas de clulas fotovoltaicas flexveis

MODELO TENSO CORRENTE DIMENSES (POLEGADAS)

SKU: 05-1286 3,6 V 100 MA 2,9 X 5,9 X 0,01 IN

SKU: 05-1285 3,6 V 50 MA 2,9 X 3,0 X 0,01 IN

SKU: 05-1282 3,0 V 22 MA 2,5 X 1,5 X 0,01 IN

SKU: 05-1283 3,0 V 25 MA 3,9 X 1,0 X 0,01 IN

Fonte: adaptada de Silicon Solar (2006). Obs. Estes dados retirados do fabricante so para condies mximas de incidncia solar, que dependem da poca do

ano e o local (SILICON SOLAR, 2006). Como a aplicao em ambiente fechado, utilizando iluminao artificial, estes dados de corrente e tenso podem no ser atingidos.

A condio de temperatura de operao no atrapalha a sua utilizao em ambiente

hiperbrico, pois o fabricante recomenda uma temperatura mxima de trabalho de 50 C para

clulas convencionais e 250 C para alguns modelos de clulas flexveis (SILICON SOLAR, 2006).

Desta maneira, dentro do escopo do presente trabalho, a utilizao de clulas

fotovoltaicas torna-se uma opo vivel. Evidentemente, o modelo de clula a ser utilizada

definido a partir da corrente de consumo dos circuitos de aquisio e transmisso do sinal.

4.5 AMPLIFICADOR DE ECG E FILTROS

Independente do circuito utilizado para a transmisso do sinal adquirido dentro da cmara,

de forma similar aos equipamentos de ECG convencionais, faz-se necessria a construo de um

circuito para amplificar e filtrar o ECG do paciente.

Mais uma vez seguindo os projetos clssicos (WEBSTER, 1998), foi utilizado um amplificador de instrumentao (amplificador diferencial). Esta escolha se deve a sua alta sensibilidade para captar um sinal eltrico to baixo quanto o sinal de ECG no paciente (cerca de 1 mV pico-a-pico) e apresentar uma alta CMRR (Razo de Rejeio em Modo Comum).

O espectro do sinal de ECG, em geral, definido de 0,05 a 150 Hz (WEBSTER, 1998). No entanto, para implementao de um filtro com freqncia de corte inferior to baixa (0,05 Hz), seria necessrio o uso de capacitores eletrolticos (ou capacitores cermicos de dimenses fsicas muito grandes para a confeco de um circuito miniaturizado). Desta maneira, o espectro do sinal foi reduzido para a faixa de 0,5 a 150 Hz.

Na seqncia, ser detalhado cada um dos blocos mencionados, sempre adotando como

47

critrio de escolha os componentes que operem com os menores nveis de tenso e que

apresentem o menor consumo de corrente possveis.

4.5.1 Amplificador de instrumentao

A figura 19 mostra a configurao de um amplificador de instrumentao clssico.

3

21

411

TL084

3

21

411

TL084

3

21

411

TL084

R3

R3

R1

R4

R4

R2

R2

E1

E2

E3

Figura 19 - Diagrama esquemtico do amplificador de instrumentao clssico.

Fonte: adaptada de WEBSTER (1998).

Este tipo de amplificador pode ser encontrado na forma de circuito integrado, ou

alternativamente possvel constru-lo utilizando amplificadores operacionais padro e

componentes discretos. Neste trabalho optou-se pela anlise de alguns amplificadores de

instrumentao monolticos (tabela 9) e um construdo com amplificadores operacionais de baixo consumo (OPA 349 Burr-Brown) e componentes discretos.

48

Tabela 9 - Caractersticas de alguns amplificadores de instrumentao e amplificadores operacionais disponveis comercialmente.

COMPONENTE TENSO DE ALIMENTAO

CORRENTE DE CONSUMO

CMRR

ISL28270 +2,4 A +5 V 120 A (TPICO) 90 A 110 DB

EL8170 +2,9 A +5 V 78 A (MXIMO) 80 A 108 DB

AD620A 2,3 A 18 V 0,9 A 1,3 MA 93 A 110 DB

INA102AG 3,5 A 18 V 500 A 750 A 80 A 100 DB

INA126UP 1,35 A 18 V 175 A 200 A 74 A 90 DB

INA 118 1,35 A 18 V 350 A 385 A 110 DB

OPA349 1,8 A 5,5 V 1,0 A 60 DB (TYP)

TLV2244 2,5 A 12 V 1 A/CH 100 DB (TYP)

OPA2369 1,8 A 5,5 V 700 NA/CH 114 DB (TYP) Fonte: adaptada de Intersil (2006 a); Intersil (2006 b); Burr-Brown (2006 a); Texas Instruments (2006 a).

Obs. Os valores de ganho mximo que cada componente permite no foram citados, pois, pela condio de projeto necessria a minimizao do rudo na primeira etapa da aquisio, por este motivo ser estabelecido um ganho relativamente baixo (mximo 30) nesta etapa.

Inicialmente foram ensaiados dois circuitos integrados monolticos para amplificadores

de instrumentao, o ISL28270 (INTERSIL, 2006 a) e o EL8170 (INTERSIL, 2006 b) e o circuito montado de forma discreta com o OPA 349 (BURR-BROWN, 2006 b).

O amplificador de instrumentao discreto apresentou um resultado pouco satisfatrio

devido ao alto rudo na sada em relao