Embed Size (px)
Citation preview
Departamento de Engenharia Mecânica
DESENVOLVIMENTO DE APARATO ACESSÓRIO PARA ANESTESIA
PERIDURAL E PUNÇÃO LOMBAR
Alunos: Raphael Curvello Pizzaia e Guilherme Eduardo
Orientadores: Djenane Cordeiro Pamplona
Hans Ingo Weber
Introdução
A anestesia é usada em uma ampla gama de campos da medicina tradicional e
odontologia. O bloqueio do nervo epidural é comumente usado em procedimentos na parte
inferior do abdomen. Vem sendo usado há décadas, com uma expectativa de falha de 6% para
25% [1]. As consequências do erro variam de dores de cabeça a uma possível paralisia
respiratória e, em alguns casos, a morte do paciente [1,2]. Os procedimentos de aplicação de
anestesia peridural e o procedimento de punção lombar são semelhantes.
Estratégias para redução de tais falhas em ambos procedimentos exigem tempo e
prática apropriada. Para a proficiência no bloqueio do nervo epidural é importante evitar ou
reduzir a taxa de acidentes clínicos causados aos pacientes, através de um alto número de
tentativas para adquirir proficiência. O médico iniciante geralmente obtém competência de
inserção de agulha epidural após um ano, e depois de 75 a 85 tentativas [3]. Considera-se que
esta é a habilidade anestésica mais difícil de se adquirir competência, com uma taxa média de
sucesso de 80% alcançado após 90 tentativas [4,5]. Esses números podem ser desafio para um
iniciante em formação.
Para uma grande variedade de procedimentos, a importância da simulação no
aprendizado é amplamente reconhecida como um mecanismo eficaz para melhorar a
familiaridade técnica dos iniciantes antes que eles participem dos cuidados clínicos. O
aprendizado é feito tradicionalmente atraves da simulação focada em hapticos, do grego
“haptikos”, que significa “sentir ou tocar”. Esse foco resultou na criação de plataformas de
simulação destinadas a reproduzir a realidade com níveis variados de fidelidade física. Em
contraste, o treinamento por imagens mentais (IM), que também podem ser descritas em
termos de prática mental, ensaio mental, imagens motoras ou visualização mental, são uma
forma de simulação não-técnica. Imagem mental (IM) é “O ensaio cognitivo de uma tarefa na
ausência de movimento físico” [6], e é amplamente utilizado e reconhecido como eficaz nos
domínios da reabilitação do AVC, na terapia cognitivo-comportamental, no atletismo de alto
desempenho e na musicalidade profissional [7-11].
O treinamento não-simulado, facilita o treinamento pois diminui a carga financeira
associada à construção, transporte e manutenção do um modelo de simulador. Assim,
hipotetizamos que o treinamento em MI é mais efetivo do que o treinamento em simulações
hápticas para alcançar habilidades técnicas entre residentes novatos em anestesiologia,[12,13].
Com o desenvolvimento do projeto aqui proposto será possivel dar suporte ao treinamento em
MI, posto que além do ensaio cognitivo o iniciante poderá visualizar todo este processo.
O procedimento de aplicação de anestesia peridural e o procedimento de punção
lombar têm como semelhança uma “perda de resistência” na agulha quando esta perfura certas
membranas da coluna vertebral [14]. Portanto, esta pesquisa contemplará ambos os
procedimentos.
Departamento de Engenharia Mecânica
Anestesia peridural
A anestesia peridural é um procedimento médico que envolve a aplicação de um fluido
anestésico em uma região do corpo chamada Espaço Lombar Peridural. Esta região se localiza
na coluna vertebral a uma profundidade aproximada de 3 a 7 centímetros a partir da pele. Um
estudo realizado por Ravi et al [14] determina uma medição mais precisa para esta
profundidade a partir do Índice de Massa Corporal (IMC) do paciente.
Punção lombar
A punção lombar é um procedimento realizado com o objetivo de coletar o líquido
cefalorraquidiano (Figura 1: Cerebrospinal fluid) que circula na medula, mais especificamente
no Espaço Subaracnóideo, para diagnosticar possíveis infecções no sistema nervoso ou outras
doenças neurológicas [15,16].
Anatomia
Para a aplicação de anestesia peridural, é inserida uma agulha, como por exemplo a
tipo Tuohy, entre duas vértebras (geralmente L3 e L5) para alcançar o espaço peridural. A
agulha normalmente é inserida na linha média (eixo de simetria) da vértebra, entre os
processos espinhosos, Fig.2. No caso de uma inserção paramediana (fora do eixo de simetria),
a agulha passa por uma camada óssea chamada Lâmina antes de alcançar o ligamento
amarelo.
Figura 1 - Seção reta da espinha mostrando as estruturas em volta da medula espinhal
Figura 2 - Diagrama mostrando a perfuração de uma agulha Tuohy para o procedimento de anestesia peridural
Departamento de Engenharia Mecânica
Devido à falta de visão do que ocorre dentro do corpo humano, o médico determina a
chegada da agulha no espaço peridural ao sentir uma breve “perda de resistência” ao empurrar
a agulha. Neste momento, a ponta alcança o espaço peridural. O médico pode, ainda, utilizar
uma solução salina para garantir que a agulha alcançou corretamente o espaço peridural. Ao
tentar injetar a solução salina através de uma seringa pela agulha, o médico pode determinar
se a ponta da agulha alcançou o espaço peridural pela pressão na seringa. Antes de alcançar o
espaço peridural, o médico sentirá uma resistência à injeção da solução na agulha. Essa
resistência não será sentida, no entanto, quando a agulha tiver alcançado o espaço peridural.
Após este primeiro passo, um cateter é inserido através da agulha no espaço peridural.
Através deste cateter será injetado o fluido anestésico.
Este procedimento possui diversos riscos associados. Além da ocasional dor de cabeça
causada pelo uso de ar ou solução salina para identificação do espaço peridural, o avanço
excessivo da agulha pode levar à perfuração da dura mater, acarretando no vazamento de
anestesia para outras camadas da espinha, levando a consequências fatais.
No caso da punção lombar, é utilizada uma agulha mais fina para a coleta de fluido
cérebro-espinhal no espaço subaracnóideo, Fig. 3. Este espaço se localiza além da dura mater,
entre a membrana aracnóide e a medula espinhal.
Figura 3 - Diagrama mostrando a perfuração de uma agulha comum para o procedimento de punção lombar.
À medida que a agulha de punção lombar se desloca na direção do espaço
subaracnóideo, onde coletará o líquido cefalorraquidiano, será necessário aplicar força para
perfurar os diferentes tecidos dentro da coluna vertebral. A sensibilidade a essas mudanças é
crucial para o profissional que realiza a punção lombar detectar a chegada da agulha na região
subaracnóidea espaço. A Figura 1 mostra os diferentes tecidos atravessados pela agulha e
onde o espaço subaracnoideo pode ser encontrado. A punção lombar descrita por Busti e
Kellogg [15], depende da habilidade do profissional em sentir um “pop”, i.e., a sensação
quando a agulha perfura a dura-máter, cruzando do espaço epidural para o espaço
subaracnóideo.
Para um profissional adquirir a habilidade, tanto na anestesia peridural como na
punção lombar, muita experiência e treinamento são necessários.
Departamento de Engenharia Mecânica
Objetivos
O objetivo da pesquisa consiste em, além de pesquisar os métodos, desenvolver um
aparelho capaz de auxiliar o médico durante o procedimento da anestesia peridural e da
punção lombar. O aparelho possibilitará a instrumentação das agulhas utilizadas em ambos
procedimentos, permite também a aquisição de dados para a formação de um banco de dados
indispensável para futuros estudos. A agulha instrumentada permite registrar em tempo real a
força utilizada ao longo da perfuração, assim como a profundidade da penetração da agulha,
possibilitando saber qual camada de tecido foi perfurada e a localização da ponta da agulha.
Com o novo aparelho há mais precisão na inserção da agulha, e, portanto, a melhoria no
processo de aplicação da anestesia peridural e da punção lombar.
O novo aparelho também irá auxiliar o treinamento de residentes em IM, que se mostra
tão importante. O residente poderá, ao penetrar a agulha no paciente ou em um corpo de
prova, associar a sensação da perfuração de camadas com os picos do gráfico que os registram
visualizados em uma tela.
Metodologia
Utilizando conhecimentos em eletrônica para instrumentação, programação de sistemas
embarcados, somados às ferramentas de projeto para o desenvolvimento de circuitos
eletrônicos, Figura 4, e de modelagem mecânica foi desenvolvido um aparato, Figura 5 ,
capaz de instrumentar uma agulha para aplicação de anestesia peridural e punção lombar,
Figura 6.
Figura 4 – Circuito Eletrônico
Figura 5 – Modelo CAD do Aparelho
Departamento de Engenharia Mecânica
Figura 6 – Agulha Peridural
O aparelho é composto por duas peças, a primeira responsável pela instrumentação da
agulha, por meio de duas células de carga de 10 N cada e um sensor de distância
infravermelho, além de possuir um design anatômico próprio capaz de auxiliar na inserção da
agulha pelo médico, Figura 7 e 8 (a).
Figura 7 - Instrumentação da Agulha
A segunda peça é composta pelos componentes eletrônicos responsáveis pela aquisição
de dados e interface gráfica com o usuário, Figura 8 (b). Nele os dados de distância e força da
perfuração são aquisitados, tratados, interpretados e mostrados por tela sensível ao toque em
tempo real.
Figura 8 – Aparelho Completo, (a) instrumentação da agulha, (b) aquisição de dados e interface gráfica
(a) (b)
Departamento de Engenharia Mecânica
O aparato é capaz de funcionar por bateria e ser carregado em tomada convencional,
além de registrar em cartão microSd os dados da distância de perfuração e força ao longo do
tempo para múltiplos procedimentos consecutivos, além da capacidade de emitir aviso sonoro
no auxílio à perfuração. Possui um design que permite apoiar o aparelho em mesa enquanto o
procedimento acontece, além de possuir uma inclinação de tela que facilita a visualização dos
dados em bancada pelo médico.
Nele existem duas interfaces gráficas, uma com o acompanhamento em tempo real da
perfuração da agulha, Figura 9, onde constam um gráfico que indica a intensidade da força ao
longo do tempo e uma barra de progresso para indicar a distância de perfuração, sendo a
região vermelha crítica para atingir a região peridural.
A outra interface permite a configuração pelo médico dos parâmetros fisiológicos do
paciente a fim de registrar e determinar a região crítica de perfuração, Figura 10, para
trabalhos futuros.
Figura 9 – Interface Principal de Usuário
Figura 10 - Interface de Configuração
Calibração e Validação
Testes de bancada para calibração e validação dos resultados se utilizaram da máquina
para ensaios de tração Instron, Figura 12, e diversos corpos de prova de silicone, dentre eles
os com três camadas de silicone com propriedades de rigidez diferentes, sendo a rosa a menor,
a verde a média e a preta a maior, Figura 11. A intenção das diferentes camadas de silicone é
de simular a transição entre materiais de diferentes propriedades, a fim de ser identificado
pelo aparelho através do acompanhamento da resistência à penetração.
Departamento de Engenharia Mecânica
Figura 11 – Corpos de prova de silicone
Figura 12 - Bancada de Testes
O primeiro teste foi realizado se utilizando dos valores aquisitados pelos sensores do
aparelho sem calibração e comparando-os com os adquiridos simultaneamente pela máquina
de tração Instron, os erros apresentados foram compensados por meio de interpolação por um
polinômio de segundo grau do gráfico que representa o coeficiente de calibração ao longo do
tempo para a força, Figura 13. O segundo teste já contando com os coeficientes de calibração
resultou em valores muito próximos à máquina de tração, Figura 14 .
Departamento de Engenharia Mecânica
Figura 13 – Resultados antes da Calibração
Figura 14 – Resultados da força após a Calibração
Apesar das células de carga possuírem uma precisão significativa comparados aos
valores na máquina de tração, para valores acima de 4 N existe uma diferença que não foi
possível corrigir com uma nova calibração, Figura 14. Os valores do sensor de distância
infravermelho tiveram um resultado esperado para o sua classe, apresentando uma dispersão
de até 5 mm em torno do valor indicado pela Instron, Figura 15.
Departamento de Engenharia Mecânica
Figura 15 – Resultados da perfuração
Pode-se ser observado, quanto aos dados da força ao longo da perfuração, Figura 16,
quatro inclinações de reta, a primeira antes de 5 mm caracterizada pela penetração completa
da ponta da agulha, e as três subsequentes nas quais as suas distâncias de perfuração
coincidem com os limites dos três materiais de silicone. A primeira de cor rosa e com a menor
rigidez, com até 10 mm de perfuração. A segunda de cor verde com rigidez intermediária,
com até 25 mm de perfuração. A terceira de cor preta com a maior rigidez, com até 35 mm de
perfuração. Nota-se que a inclinação da reta aumenta conforme a rigidez, e nessa variação da
inclinação é possível identificar a transição do material que a agulha perfura.
Figura 16 – Resultados após a Calibração
Departamento de Engenharia Mecânica
Resultados e Discussões
Novos testes, com a finalidade de colher dados em condições mais próximas das
encontradas no processo de aplicação de anestesia peridural e de punção lombar, foram
realizados com a utilização de tecidos orgânicos. Para isso foi posicionado um contra filé
bovino na máquina de tração Instron como corpo de prova, Figura 17, e seus resultados,
Figuras 18-19 e 20.
Figura 17 - Ensaios com Contra Filé
Figura 18 – Resultados em força (N) v. perfuração (mm) no contra filé
Os dados do Figura 18, referente ao aparelho, apresentaram uma dispersão significativa
devido ao cruzamento da força com a distância de perfuração extraída pelo sensor
infravermelho.
Departamento de Engenharia Mecânica
Figura 19 – Resultados da força (N) v. tempo (s) no contra filé
Figura 20 – Resultados da perfuração (mm) v. tempo (s) no contra filé
Pode-se observar pelos dados do Figuras 18 e 19, que a perfuração possui quatro picos
de resistências antes de estabilizar aproximadamente em 2 N, em outras palavras a agulha
vence a resistência de quatro tecidos diferentes antes de se estabilizar nesse patamar. Pelas
observações feitas no corpo de prova durante a perfuração, a princípio a agulha sofre pouca
resistência ao penetrar completamente sua ponta na gordura, deslocando-se 5 mm. A partir daí
os tecidos do corpo de prova são gradativamente comprimidos antes que haja continuidade na
perfuração, em 3,4 N, em seguida ocorrem mais duas camadas consecutivas de gordura sendo
perfuradas, chegando por fim ao patamar de 2 N, caracterizado pela perfuração contínua na
musculatura. Portanto o novo método é capaz de identificar as transições de tecidos através do
acompanhamento da distância perfurada, variação da inclinação e picos da força de
perfuração.
Departamento de Engenharia Mecânica
Conclusões
O aparelho inteiramente inovador propõe um novo método de realizar o processo de
anestesia peridural e punção lombar, além de coletar dados para estudos médicos e na área da
bioengenharia, com precisão, portabilidade e vasta capacidade de armazenamento. O aparelho
poderá ser de grande valia também para treinamento médico.
Trabalhos futuros
Conclusão da segunda interface que permite a configuração pelo médico dos parâmetros
fisiológicos do paciente, sexo, raça, altura e ICM a fim de registrar e determinar a região
crítica de perfuração. Será importante também buscar um sensor de distância de maior
precisão.
Referências
1 - TRAN, DK, HOR W, KAMANI AA, LESSOWAY VA. ROHLING, R. N. Instrumentation of the Loss-of-Resistance
Technique for Epidural Needle Insertion, IEEE Transactions on Biomedical Engineering 2009;56:820-827.
2 - LIM MW, BURT G, RUTTER SV. Use of Three-Dimensional Animation for Regional Anaesthesia Teaching:
Application to Interscalene Brachial Plexus Blockade, British Journal of Anaesthesia 2005;94:372-377.
3 - NAIK V N, DEVITO I, HALPERN SH. Cusum Analysis Is a Useful Tool to Assess Resident Proficiency at Insertion of
Labour Epidurals. Canadian Journal of Anaesthesia 2003;50(7)694-698.
4 - KONRAD C, SCHÜPFER G, WIETLISBACH M, Gerber H. Learning manual skills in anesthesiology: is there a
recommended number of cases for anesthetic procedures? Anesth Analg 1998;86:635–9
5 - DRAKE EJ, COGHILL J, SNEYD JR. Defining competence in obstetric epidural anaesthesia for inexperienced
trainees. Br J Anaesth 2015;114:951–7
6 - MALOUIN F, JACKSON PL, RICHARDS CL. Towards the integration of mental practice in rehabilitation
programs. A critical review. Front Hum Neurosci 2013;7:576
7 - Hall JC. Imagery practice and the development of surgical skills. Am J Surg 2002;184:465–70
8 - BATHALON S, DORION D, DARVEAU S, MARTIN M. Cognitive skills analysis, kinesiology, and mental imagery
in the acquisition of surgical skills. J Otolaryngol 2005;34:328–32
9 - ROGERS RG. Mental practice and acquisition of motor skills: examples from sports training and surgical
education. Obstet Gynecol Clin North Am 2006;33:297–304, ix
10 - COCKS M, MOULTON CA, LUU S, CIL T. What surgeons can learn from athletes: mental practice in sports and
surgery. J Surg Educ 2014;71:262–9
11 - MARTIN J. Mental preparation for the 2014 Winter Paralympic Games. Clin J Sport Med 2012;22:70–3
12 - LIM J, KROHNER RG, METRO DG, ROSARIO BL, JEONG J-H, SAKAI T. Low-fidelity haptic simulation versus
mental imagery training for epidural anesthesia technical achievement in novice anesthesiology residents:a
randomized comparative study. Anesthesia & Analgesia. 2016;122(5):1516-1523
13 - CONCI A, CLUA, E, BITTENCOURT L K, BARUQYE, LB, SILVA CN. Haptic Forces and Gamification and on
Epidural Anesthesia Skill Gain. Entertainment Computing Journal 2017;900-913.
14 - RAVI KK,. et al. Distance from skin to epidural space: Correlation with body mass index. Journal of
Anaesthesiology Clinical Pharmacology, v. 27(1), p. 39-42, 2011.
15 - BUSTI, A. J.; KELLOGG, D. Procedure: Lumbar Puncture, Net, 2015. Disponível
em: <https://www.ebmconsult.com/articles/procedure-lumbar-puncture> Acesso em: 2017.
16 - AMBASTHA S; UMESH S., DABIR S., SUNDARRAJAN, ASOKAN S. Spinal needle force monitoring during
lumbar puncture using fiber Bragg grating force device. Journal of Biomedical Optics. 2016; 21(11), p.21-27.
