ENSAIOS
Um padrão para a
medição da energia de
pulso de desfibrilação
A exatidão da energia do desfibrilador é fundamental em sua aplicação segura e é requisito de
Normas nacionais e internacionais de segurança e desempenho de desfibriladores cardíacos,
conforme a norma IEC 60601-2-4:2002
[Márcio Bottaro, Vlamir Viana e Ricardo Clemente de Abreu]
D
esfibriladores cardíacos são equipamentos essenciais
no suporte a vida. A desfibrilação cardíaca é entendida como uso terapêutico do choque elétrico, com
corrente monopolar ou bipolar de grande amplitude e
curta duração, aplicado no tórax ou diretamente sobre o miocárdio
[1]. O parâmetro elétrico mais importante, e que é utilizado como
referência na aplicação do desfibrilador, é a energia aplicada pelo
equipamento ao paciente em Joules [2]. Esta energia é resultante da
tensão, corrente e tempo de aplicação de carga de desfibrilação.
A medição da energia aplicada no pulso de desfibrilação é um
parâmetro de controle de segurança e desempenho destes equipamentos, sendo normalmente a referência em programas de ensaios
recorrentes para equipamentos já em uso clínico. Em laboratórios que
realizam ensaios de tipo, em conformidade com normas nacionais e
internacionais, geralmente relacionados a processos de certificação e
avaliação da conformidade de produtos, a medição deste parâmetro
não é menos relevante, e leva a uma série de estudos metrológicos
relacionados a medição de pulsos de alta tensão. O emprego de
analisadores de Energia de desfibriladores, também denominados
Joulímetros pela maioria de seus usuários em departamentos de Engenharia Clínica, acaba sendo comprometido em laboratórios de ensaios
acreditados pela Rede Brasileira de Laboratórios de Ensaios (RBLE), já
que a Rede Brasileira de Calibração (RBC) não apresenta laboratório
acreditado para tal grandeza, especificamente nesta aplicação.
Normalmente o procedimento laboratorial consiste na
aquisição do pulso de alta tensão sobre uma carga considerada
não-indutiva e no processamento matemático destes valores para
obtenção da energia levando em conta a configuração ideal dos
componentes envolvidos. Este processamento normalmente é
realizado por osciloscópios digitais ou sistemas de aquisição de
dados capazes de processar os sinais com boa resolução em tempo
e amplitude. O resultado da energia pode ser expresso como:
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(1)
onde Ut representa os pontos de tensão adquiridos no intervalo de
amostragem dt e R é a resistência de carga considerada não indutiva.
A experiência de Laboratórios de ensaios, como o da Seção
Técnica de Ensaios em Equipamentos Eletromédicos (STEEE) do
IEE/USP, na utilização de divisores de alta tensão para medição
de sinais pulsados ou mesmo pulsos individuais aponta para
uma complexidade no tratamento dos dados que pode tornar-se
problemática na medição de pulsos muito curtos com divisores
que não apresentam boa resposta em frequência. A avaliação
da incerteza de medição nestes processos, levando em conta a
resposta em frequên­cia destes instrumentos, tem sido estudada
frequentemente, mas apenas modelos aproximados de propagação
de erros foram apresentados na literatura até o momento [3,4].
Felizmente no caso dos pulsos de desfibrilação, a complexidade da
medição da amplitude e a duração de pulso são consideravelmente
menores do que em outras aplicações mais complexas de divisores
de alta tensão, e o emprego de pontas atenuadoras é suficiente para
se obter resultados com boa exatidão em amplitude e tempo, já
que estes instrumentos apresentam largura de banda muito mais
extensa do que a necessária para este propósito o que resulta em
uma resposta quase plana em frequência.
Divergências encontradas em ensaios laboratoriais e em ensaios recorrentes efetuados em desfibriladores cardíacos levaram a
investigação do comportamento de analisadores de desfibriladores
cardíacos e de métodos empregados de forma alternativa para
medição da energia do pulso de desfibrilação. Nos circuitos de
medição de laboratório, com maior controle metrológico de componentes e instrumentos de medição, verificaram-se tendências
de desvios em relação aos analisadores e em relação às informações apresentadas pelos fabricantes de desfibriladores cardíacos
sob ensaio. Estes desvios cresciam a medida que cargas menores
ENSAIOS
(simulando a impedância de paciente) eram empregadas para
verificação da exatidão das informações declaradas nos equipamentos. Juntamente aos analisadores e sistemas de ensaio foram
empregados medidores de corrente não invasivos com resposta
em frequência adequada aos sinais monitorados.
O estudo preliminar foi efetuado com um gerador de pulso
de desfibrilação monopolar adaptado especialmente para uso em
laboratório, um analisador de segurança com impedância interna de
50 Ω QED-6 da Biotek Instruments Inc., dois sistemas de medição
de energia de pulsos de desfibrilação da STEEE que consistem em
um sistema independente da carga com uma ponta de prova de
alta tensão P6015A da Tektronix, um alicate amperímetro A622 da
Tektronix, ambos acoplados a um osciloscópio DPO7000 da Tektronix
para aquisição e processamento dos sinais e um sistema simplificado
para medição da energia por meio somente da ponta de alta tensão
P6015A acoplada ao osciloscópio com dependência da carga utilizada.
Os resultados preliminares são indicados junto a Tabela 1.
Estes dados foram analisados e verificou-se, por meio do comportamento da tensão e corrente medidos, que a ausência de componentes reativas nas cargas empregadas nos ensaios e nos analisadores
de segurança não era totalmente verdadeira, e a resposta indutiva
realmente era intensificada a medida que os pulsos eram aplicados
sobre cargas com menor resistência (Figuras 1 e 2).
Tabela 1. Estudo comparativo preliminar de sistemas
de medição
Carga (Ω)
Seleção
(J)
25
50
100
175
Analisador
(J)
Dependente
(J)
Independente (J)
360
---
299,5(9,0)
278,2(9,7)
280
---
239,6(7,2)
222,2 (7,8)
200
---
176,7(5,3)
164,4 (5,7)
360
328,2(16,4) 324,72 (9,7) 328,4(11,5)
280
259,0(12,9) 254,08 (7,6) 257,6(9,0)
200
188,0(9,4)
185,23 (5,5) 188,0(6,6)
360
---
353,0(10,6)
362,4(12,7)
280
---
278,3(8,3)
286,8(10,0)
200
---
205,1(6,2)
210,0(7,6)
360
---
369,4(11,1)
377,1(13,2)
280
---
295,5(8,9)
301,1(10,5)
200
---
213,6(6,4)
216,8(7,6)
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Este fato levou ao projeto de um sistema de referência que não
sofresse influência de tais parâmetros elétricos e pudesse indicar
de forma direta a energia entregue a carga. O sistema proposto
é um calorímetro com medição da variação de temperatura por
meio de termorresistências que pode ser utilizado como padrão de
referência para calibração de analisadores de segurança e sistemas
de ensaio laboratoriais.
Os calorímetros são empregados como padrões primários e
secundários em várias áreas da metrologia. A experiência do IEE/
USP na construção e caracterização destes sistemas [6] levou
a construção de um primeiro protótipo a ser empregado como
referência nestes ensaios. Este padrão utiliza 4 termorresistências
de 4 fios que garantem a detecção do momento exato do equilíbrio térmico do sistema e podem detectar pequenas variações de
temperatura provenientes de pulsos de desfibrilação com energias
a partir de 40 J. Para o processamento dos sinais, o sistema utiliza
4 multímetros de bancada com medição de resistência a 4 fios,
interligados por um sistema de aquisição de dados utilizando a
plataforma LabVIEW da National Instruments que incorpora os
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coeficientes de calibração das termorresistências. A energia pode
ser calculada pela equação abaixo:
(2)
onde mW e cw são a massa e calor específico da água, tf e ti
são a temperatura final e inicial da água. Os primeiros resultados
mostram boa resolução, exatidão e reprodutibilidade na faixa de
40 a 360 J e esclarecem as divergências encontradas em ensaios
em laboratório.
O calorímetro empregado na medição da energia do pulso de
desfibrilação consiste em um sistema termicamente isolado preenchido em seu reservatório interno com água destilada e deionizada
obtida em destiladores empregados em Osmose Reversa (C < 10-8
S), com monitoramento de temperatura por termorresistências que
conferem maior exatidão para a determinação da energia entregue
ao sistema. O reservatório possui um sistema de paredes isolantes
com camada de ar entre as mesmas que reduz a troca de calor
com o ambiente. Cargas com resistências entre 25 Ω e 175 Ω são
ENSAIOS
inseridas no reservatório interno, ficando submersas em água, e
ligações com a menor distância possível de condutores é aplicada.
Para garantir menores incertezas no sistema, a energia entregue aos
condutores também foi medida para correção de eventuais perdas
durante a aplicação do pulso de desfibrilação que se caracteriza
por produção de altas correntes. O primeiro protótipo pode ser
visualizado na figura 3.
As quatro termorresistências são acopladas a quatro multímetros com capacidade de medição a quatro fios, conectados a
um sistema de aquisição de dados em plataforma LabVIEW para
processamento dos dados e obtenção dos valores de variação de
temperatura (Figura 4).
Dois sistemas foram avaliados para verificar a eficiência da
homogeneização, isolação e estabilidade térmica do sistema:
Sistema com fluxo de líquido forçado e Sistema com agitação de
líquido externa.
Sistema com fluxo de líquido forçado - Neste sistema uma
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bomba de imersão de baixo fluxo e baixa potência é inserida junto
ao reservatório interno para garantir a homogeneidade do líquido
que sofrerá alteração de temperatura após a entrega de energia à
carga. A vantagem deste sistema é a rápida homogeneidade do
meio e consequentemente menores perdas térmicas ao longo do
processo. No entanto, a contribuição na elevação da energia pela
potência de entrada do motor da bomba e pelo atrito provocado
pela água e pelos componentes mecânicos da bomba geram maior
instabilidade no sistema e tornam seu uso restrito a energias
mais elevadas. Devido a estas limitações e desvantagens gerais
relacionadas ao maior número de elementos invasivos no sistema
(condutores de alimentação da bomba submersa), este sistema não
foi aprovado para utilização como padrão.
Sistema com agitação de líquido externa - A agitação externa
consiste basicamente em uma mesa vibratória operando em baixa
vibração, capaz de homogeneizar o líquido interno com eficiência,
ainda assim menor que a bomba submersa, porém contribuindo
com a entrega de energia ao meio somente pelo atrito do líquido
com as paredes do sistema e corpo da carga, o que pode ser desprezível em baixas taxas de vibração. O sistema com agitação de
líquido externa, mesmo com um tempo de homogeneização maior
que o primeiro modelo, garante o equilíbrio do meio com poucas
perdas de energia e evita contribuições de incertezas provenientes
de fontes internas de fornecimento de energia, sendo selecionado
para o primeiro padrão em desenvolvimento.
A avaliação da isolação térmica do sistema consistiu na
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incorporação de um elemento aquecido (bloco de alumínio), a
temperatura de aproximadamente 30 ºC e monitoramento por
meio dos sensores termorresistentes já empregados no calorímetro. Os resultados podem ser verificados junto a figura 5. Após a
inserção do elemento aquecido, o sistema de vibração é acionado
juntamente com o sistema de aquisição de dados.
Pode-se observar que mesmo com variações ambientais promovidas propositalmente por meio de uma câmara climática, as
ENSAIOS
perdas do sistemas podem ser consideradas muito baixas. Um
segundo ensaio foi efetuado para avaliação da contribuição do sistema vibratório na elevação da temperatura do meio e consequente
contribuição na elevação de energia. Este ensaio teve duração de 30
minutos utilizando-se uma vibração duas vezes superior à vibração
normal utilizada no processo de medição. Nenhuma variação foi
perceptível aos sensores, indicando que a contribuição na elevação
de temperatura pode ser considerada desprezível. Mesmo com
essas contribuições podendo ser ignoradas, as mesmas foram
computadas de forma a garantir a exatidão do padrão.
A resistência dos condutores de conexão do calorímetro é
fundamental para caracterização das componentes de incerteza
que podem afetar os resultados de medição com o padrão. Juntamente a resistência destes condutores, a resistência de contato do
sistema acaba por ser avaliada, e o sistema como um todo pode
ser caracterizado e validado.
Com auxílio de um gerador de pulso de desfibrilação monopolar adaptado especialmente para uso em laboratório (figura 6),
pulsos de desfibrilação de energias entre 40 e 360 J foram aplicados
ao padrão, e por meio de um alicate de corrente e uma ponta de
prova de alta tensão Tektronix A622 e P6015A respectivamente,
a energia perdida devido aos valores da resistência de contato e
dos condutores de ligação da carga utilizados no padrão pode ser
determinada.
A caracterização da perda de energia em função da energia
aplicada consiste basicamente na medição da tensão sobre os
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terminais de entrada e sobre a posição relativa de entrada dos
condutores no meio líquido. Esta energia, mesmo apresentando
valores muito baixos, foi utilizada para correção dos resultados
obtidos inicialmente com o padrão.
Resultados
A etapa final de caracterização do padrão consistiu em medidas
comparativas, utilizando o desfibrilador adaptado do Laboratório
da STEEE, dois analisadores de segurança com impedância interna
de 50 Ω QED-6 da Instruments Inc. (Analisador 1) e Impulse 4000
(Analisador 2) da Dynatech Nevada Inc., dois sistemas de medição
de energia de pulsos de desfibrilação da STEEE que consistem em
um sistema independente da carga com uma ponta de prova de
alta tensão P6015A da Tektronix, um alicate amperímetro A622
da Tektronix, ambos acoplados a um osciloscópio DPO7000 da
Tektronix para aquisição e processamento dos sinais (denominado
Sistema Independente da Carga) e um sistema simplificado para
medição da energia por meio somente da ponta de alta tensão
P6015A acoplada ao osciloscópio com dependência da carga utilizada (denominado Sistema Dependente da Carga).
Os resultados mostram uma boa coincidência entre os resultados do sistema independente das características de carga utilizado
pelo Laboratório da STEEE e o padrão, com algumas divergências
apresentadas, principalmente em relação aos valores em baixa
impedância, entre os valores medidos pelo sistema simplificado
da STEEE e o padrão. Em 50 Ω divergências também foram en-
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contradas, levando em conta que os sistemas de medição foram
utilizados simultaneamente e o padrão de forma intercalada, já
que o mesmo não permite o acoplamento conjunto. Os dados
com os desvios relativos entre cada sistema e o padrão, para cada
carga selecionada, são ilustrados separadamente no gráficos das
figuras 7 a 10.
Estes resultados ilustram claramente a tendência de maiores
desvios em baixo valores de carga, e mostram a maior deficiência
do método de medição simplificado, somente pela aquisição da
tensão na carga de ensaio, já que o mesmo é insensível aos efeitos
ENSAIOS
reativos apresentado pela carga em altas correntes. Os valores de
referência foram estabelecidos com base no padrão já que o mesmo
depende somente da transferência de energia sem levar em conta
os fatores elétricos assinalados anteriormente.
O primeiro modelo de padrão de referência para medição de
energia de pulso de desfibrilação apresentou resultados satisfatórios. Sua capacidade de medição direta da energia transferida pelo
pulso elétrico em alta tensão sobre uma carga com propriedades
reativas em verdade desconhecidas, mostra-se como maior vantagem deste dispositivo sobre os demais sistemas utilizados para
este propósito. A avaliação inicial dos desvios atribuídos principalmente às características indutivas dos componentes utilizados
como cargas de ensaio indica uma tendência de erros na medida
em que as cargas são reduzidas e consequentemente as correntes
são elevadas no circuito de medição. Um sistema com aquisição
da corrente de ensaio pode colaborar bastante para redução dos
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ENSAIOS
erros sistemáticos do sistema de medição, mas não é a forma mais
usual de ensaio adotada.
A característica não-indutiva de resistores de alta potência
pode não ser verdadeira quando aplicamos a eles pulsos de alta
tensão provenientes de desfibriladores cardíacos. Cuidados especiais quanto a este comportamento devem ser tomados, já que é
possível verificar que o resultado dos ensaios pode variar substancialmente, chegando algumas vezes próximo aos valores limite
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estabelecidos por Normas (15% para a IEC 60601-2-4:2002).
A exatidão declarada pelos analisadores de segurança empregados neste trabalho é da ordem de 5%. O sistema de medição da
energia com dependência do resistor de carga (método de cálculo
de energia pela aquisição da tensão sobre a carga) apresenta uma
incerteza da ordem de 3%, e quando acoplamos um medidor de
corrente, a mesma é elevada para aproximadamente 3,7%. Com o
padrão por calorimetria foram obtidas incertezas iniciais da ordem
de 2% que poderiam ser aprimoradas pelo uso de componentes
menores em menores volumes de líquido.
A composição das incertezas abrangidas pelo padrão pode ser
verificada na Tabela 2. As mesmas ainda estão sendo melhores
estudadas para um equacionamento mais apurado de sua contribuição na incerteza total do sistema, bem como para a avaliação
de outras componentes não incorporadas.
Tabela 2. Componentes de incerteza do padrão
Componente de incerteza
Contribuição para a incerteza expandida
Exatidão de Termorresistências < 45 %
Sistema de leitura de temperatura< 15 %
Variação no volume de líquido < 20 %
Perdas no isolamento térmico
<5%
Variação na homogeneização
<1 %
Tempo de homogeneização
<1%
Perdas de energia nos condutores< 2 %
Acréscimo de energia por agitação
<1%
ENSAIOS
Mesmo com uma avaliação preliminar, é evidenciada a maior
contribuição do sistema de leitura de temperatura em conjunto com as
termorresistências para as incertezas do sistema, e consequentemente
sua exatidão. O sistema utilizado apresenta uma incerteza total de
0,03ºC e uma melhor calibração na faixa de utilização podem reduzir
sua parcela de contribuição aos erros do sistema.
Enfim, a ideia foi apresentar a avaliação preliminar de um
padrão para medição da energia entregue por pulsos de desfibrilação. Os dados iniciais mostram uma boa resposta do sistema e
sua utilização como referência na medição da energia de pulsos
de desfibrilação aponta para cuidados a serem tomados com
sistemas de medição da energia de desfibriladores por meio de
cargas consideradas não indutivas e aquisição das formas de onda
de alta tensão sobre as mesmas.
Com a grande vantagem de não apresentar influência de fatores reativos das cargas utilizadas nos ensaios, e de medir a energia
diretamente pela calorimetria, este sistema pode ser considerado
um padrão para avaliação da energia e ainda um padrão de referência para calibração de sistemas de medição e analisadores
de energia, serviço ainda indisponível na RBC. O estudo de um
sistema com melhor exatidão e resolução em energia, podendo
ser empregado em faixas menores que 40 J, esta em andamento
na STEEE, devendo este ser empregado por fim como padrão de
referência do laboratório e eventualmente podendo ser utilizado
como padrão de calibração ou de referência para programas de
intercomparação.
Agradecimentos
Os autores agradecem a toda equipe técnica da STEEE que de
forma direta ou indireta colaboraram com este trabalho.
Referências
[1] B.J. Roth, “Defibrillators” in Encyclopedia of medical devices and instrumentation, vol. 2, pp. 406-410, John Wiley & Sons Inc., Hoboken, New
Jersey, 2006.
[2] International Electrotechnical Comission. International Standard IEC
60601-2-4. Medical electrical equipment - Part 2: Particular requirements
for the safety of cardiac defibrillators. Geneva: International Electrotechnical
Comission, 2002.
[3] F. C. Creed, T. Kawamura, G. Newe,“Step response of measuring systems
for high impulse voltages” in IEEE Transactions on Power Apparatus and
Systems, vol. 11, pp. 1408-1420, 1967.
[4] G. Betta, C. Liguori, A. Pietrosanto, “Propagation of uncertainty in a
discrete Fourier transform algorithm”, Measurement, vol. 27, pp. 231-239,
2000.
[5] H. Tang, A. Bergman, “Uncertainty calculation for an impulse voltage
divider characterized by step response”, High Voltage Engineering Symposium, no. 467, pp. 22-27, 1999.
[6] M. Bottaro, et al., “A practical method to determine the heating and
cooling curves of x-ray tube assemblies”, Med. Phys., vol. 34, pp. 39823986, 2007.
Márcio Bottaro, Vlamir Viana e Ricardo Clemente de Abreu são do
Instituto de Eletrotécnica e Energia da USP - [email protected] - vlamir@iee.
usp.br - [email protected]
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