I n t r o d uç ã o
8vas Jornadas Internacionales de Ingeniería Clínica y Tecnología Médica
Esqueleto àtecido ósseo
FUNÇÕES:
-Dar suporte e proteger órgãos
vitais
-Alojar e proteger a medula
óssea,
CONTRIBUCIONES DEL BRAZIL A LOS
ESTUDIOS SOBRE LA APLICACI ÓN BIOMÉ DICA
DEL ULTRASONIDO DE BAJA INTENSIDAD
RODRIGUES, MES¹; MALOSSO, TG²; ROLLO, MDA³ y SHIMANO,
1, 2 Programa
3
-Apoiar os músculos esqueléticos
-Formar um sistema de alavancas
que amplia as forças geradas na
contração muscular.
AC4
de Postgrado Interunidades en Bioingenierí a EESC-FMRP -IQSC/ USP San
Carlos, SP, Brazil. elizete@s c.u s p. br / tatiana@ sc. usp. br
-Agir como um reservatório
extracelular para os íons (cálcio,
fósforo, magnésio, sódio e outros)
Depto de Ingeniería de Materiales, Aeron áutica y Automobilística EESC/USP. San Carlos,
SP, Brazil. tfase@ sc. usp. br
4
Laboratorio de Bioingenierí a FMRP/ USP Ribeirao Preto, SP, Brazil. shimano@ sc. usp .b r
São Carlos - SP - Brasil
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I n t r o d uç ã o
CÉLULAS
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I n t r o d uç ã o
FRATURA ÓSSEA
- Osteoblástos
- Osteócitos
Fator Incapacitante
- Osteoclastos
TIPOS DE OSSO
-Cortical
-> problemas relativos a saúde
-> problemas de caráter sócio-economico.
- Trabecular
REMODELAMENTO ÓSSEO
Sintomas:
Causas:
- Inchaço e dor intensa
- Osteoporose
- Limitação de movimentos
– Tumores ósseos
- Hemorragia
– Traumas
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I n t r o d uç ã o
REGENERAÇÃO DE FRATURAS: processo biológico complexo que
envolve o desempenho temporal e espacial de numerosos tipos de
células trabalhando na restaura ção da resistência mecânica do
osso e do r ápido retorno de suas funções completas.
Como abreviar o tempo de regenera ção das fraturas ósseas?
Pesquisa: Tecido ósseo à prorpiedades físicas
Resposta biológica acelerada para a consolidação
de fraturas.
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I n t r o d uç ã o
à resultado das ciências básicas +
pesquisas clínicas.
BIOENGENHARIA
! Desenvolver técnicas de aceleração da consolidação de
ossos fraturados.
ULTRA-SOM: forma de energia mecânica que pode ser
transmitida através do tecido biológico (onda de
pressão acústica com f á ao limite do ouvido humano).
Estimula ção da regeneração óssea.
Amplamente usado na medicina como uma ferramenta
terapêutica.
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1
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I n t r o d uç ã o
Estudos clínicos à US à influencia + nas 3 fases do processo
de cicatrização (inflamação, reparo e remodelamento).
Estudos clínicos à US Baixa Intensidadeà método
efetivo, seguro e não invasivo no tratamento de
consolidação de fraturas
O FDA (Food and Drug Administration) aprovou o uso do US
de baixa intensidade para a aceleração da consolidação de
fraturas recentes e para tratamento de não união estabelecida.
Restrospectiva dos estudos realizados no Brasil pelo Programa
de Bioengenharia da USP de São Carlos.
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E s t i m u l aç ã o U l t r a- S ôn i c a d a R e g e n e r aç ã o Ó s s e a
"Estimulaçã o Ultrasônica do Calo Ósseo" (1977, Prof. Dr. Luiz Romariz
Duarte no Departamento de Engenharia de Materiais da Escola de
Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo - USP, Brasil)
tese de livre docência.
DUARTE, usando estudoshistológicos e
radiográficos em coelhos, demostrou
que o US acelera a cicatrização de
fraturas por maior produção de calo e
que o processo de mineralização ocorre
mais rapidamente quando o local da
osteotomia era exposto ao US de baixa
intensidade, foram realizados estudos
que levaram a determinação dos
parâmetros do equipamento atravé s de
experimentos
em
animais
e
posteriormente análises de aplicações
clínicas.
E s t i m u l aç ã o U l t r a- S ôn i c a d a R e g e n e r aç ã o Ó s s e a
Historico:
1952 – Italianos mostraram que ondas US poderiam estimular a
formação do calo ósseo em fraturas de coelhos. (1º uso clínico).
1953 - Estudos com humanos concluíram que o tratamento era seguro
e que produzia um á aumento do calo do peri ósteo.
1954 – (Yasuda) propiedade piezoelétrica do osso, neoformaçã o do
tecido ósseo usando corrente contínua como estímulo.
1957 – (Fukada e Yasuda) mostraram que o osso quando é submetido a
esforços mecâ nicos desenvolve campos elétricos em sua superfície,
provocando a estimulaçã o da divisão celular.
1962 – (Basset et alli) estudo experimental da estimulação da
regeneração de fraturas ósseas usando eletricidade como estímulo.
1983 – (Dyson e Brookes) estudando fraturas fibulares em ratos –
aceleraç ão da cicatrização das fraturas (US intensidade 500m W/cm2).
1983 – (Xavier e Duarte) de 26 ñ uniões 70% consolidaram após um
curto per íodo de exposição (20 min/dia) US intensidade (30m W/cm2).
E s t i m u l aç ã o U l t r a- S ôn i c a d a R e g e n e r aç ã o Ó s s e a
As primeras aplicações clínicas da tecnologia no mundo
foram realizadas no Departamento de Cirurgia,
Ortopedia e Traumatologia do Hospital das Clínicas da
Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto - USP, as
aplicações clínicas eram direcionadas a tratamentos de
fraturas recentes, com retardamento de consolidação
ou pseudo-artrose em todo o esqueleto (com exceção de
fratura da coluna vertebral, da face ou do crânio).
O tratamento de 20 min/dia era suficiente para
exercer um impacto econômico e social, pois a redução
do tempo de tratamento de fraturas recentes implica
na economia do custo do tratamento.
[email protected]
E s t i m u l aç ã o U l t r a- S ôn i c a d a R e g e n e r aç ã o Ó s s e a
Reconhecimento mundial da eficácia do m étodo
(comunidade científica) à + estudos com animais e
clínicos.
[email protected]
C o n t r i b u i çõ e s d a B i o e n g e n h a r i a do Brasil
QUADRO 1 – Parâmetros padronizados do equipamento de
estimulação com ultra-som de baixa intensidade
A partir daí, se notou a necessidade de uma área
intermediaria de integração entre as c iências exata e
biológica, originando-se o Programa de Bioengenharia
na USP de São Carlos, Brasil, que inicialmente teve
sua origen voltada para a Engenharia Ortopédica e
evoluiu dentro da filosofia de promover o avanç o do
conhecimento t écnico e científico no campo da
Reabilitaçã o Ortopédica, já desenvolvendo novas
aplicaç ões das ciências exatas na solução de
problemas relacionados com o reparo e a reabilitação
de tecidos biológicos, formando recursos qualificados
neste campo específico da Bioengenharia.
[email protected]
Frequência
1,5MHz
Frequência de Repetição
1Khz
Ciclo de trabalho
20%
Largura do pulso
200µ s
Periodo off
800µ s
Intensidade
30mW/cm2
[email protected]
2
C o n t r i b u i çõ e s d a B i o e n g e n h a r i a do Brasil
C o n t r i b u i çõ e s d a B i o e n g e n h a r i a do Brasil
TABELA 1 – Estudos que objetivaram verificar a padronização
do equipamento de estimulação com ultra-som de baixa
intensidade
TABELA 2 – Estudos de análises dos efeitos no reparo do
tecido ósseo por meio da estimulação com ultra-som de baixa
intensidade
ANO OBJETO DE ESTUDO:
1983 Avaliação do parâmetro tempo de exposição no reparo da falha
óssea experimental
1985 Otimização do parâmetro frequência de repetição dos pulsos no
desenvolvimento do calo ósseo
ANO OBJETO DE ESTUDO:
1985 Estímulo de crescimento ósseo: estudo sobre cromossomos
metafísicos de células da médula óssea expostas in vivo
1992 Estímulo do testículo de ratos pre-púberes, púberes e adultos
1986 Avaliação do parâmetro largura de pulso no reparo da falha óssea
experimental
1987 Estudo do mecanismo de ação na estimulação do crescimento
ósseo
1990 Avaliação do tempo de estimulação no desenvolvimento do calo
ósseo
1992 Avaliação dos efetos da variação da intensidade acústica na
estimulação do metabolilsmo ósseo, fraturas experimentais
1995 Correção de falha óssea em coelhos
1996
1998
2000
2001
2002
Consolidação óssea em ratos submetidos ao diabetes aloxânico
Correção óssea em coelhos
Osteotomias mandibulares em coelhos
Análises de ossos de ratas osteopênicas
Qualidade da osseointegração de implantes de titânio em tíbia de
coelho
2002 Artrodese atlanto-axial em cães
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C o n t r i b u i çõ e s d a B i o e n g e n h a r i a do Brasil
TABELA 3 – Estudos de análises dos efeitos no reparo do
tecido epitedérmico por meio da estimulação com ultra-som
de baixa intensidade
C o n t r i b u i çõ e s d a B i o e n g e n h a r i a do Brasil
TABELA 4 – Estudos de análises dos efeitos em úlceras da
estimulação com ultra-som de baixa intensidade
ANO
1988
OBJETO DE ESTUDO:
Regeneração da pele animal com queimaduras
ANO
1993
1993
Cicatrização da pele de ratos diabéticos
2000
2002
Cicatrização de lesões epidérmicas em coelhos
OBJETO DE ESTUDO:
Reparação de tecidos de úlceras tróficas da perna
Reparação epitelial em úlceras vasculares
- Comissão científica do IOT do HC/FM – U S P
- Comissão de Ética do HC/FM – U S P
- Comissão de Ética Nacional
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C o n t r i b u i çõ e s d a B i o e n g e n h a r i a do Brasil
TABELA 5 - Estudos de análises dos efeitos em outros
locais/situações após a estimulação com ultra-som de baixa
intensidade
ANO
OBJETO DE ESTUDO:
1993
Processo de cicatrização da parede abdominal de ratosem
laparotomia
1994
Processo inflamátorio crônico induzido em ratos
2000
Cicatrização de tendões flexores de coelhos após tenorrafia
2001
Regenera ção do nervo ciático de ratosapós neuratomia
2001
Regenera ção do músculo esquelético de ratos após incisão
2001
Ação do ultra -som de baixa intensidade em ossos de ratas
osteopênicas
2001
Avaliação dos efeitos do Ultra -som pulsado na regenera ção de
músculos esqueléticos com vista a aplicabilidade na fisioterapia
[email protected]
[email protected]
C o n t r i b u i çõ e s d a B i o e n g e n h a r i a do Brasil
Regeneração do nervo ciático de ratos após neuratomia (2001)
a)Contenção do rato na prancha
b)Divulsão das fibras do músculo
glúteo maior com exposição do
nervo ciático
c)Nervo ciático após axotomia
d e e)Síntese do músculo dos
planos superficiais com pontos
separados
f)Sonificação
Parâmetros do US
[email protected]
3
C o n t r i b u i çõ e s d a B i o e n g e n h a r i a do Brasil
Regeneração do nervo ciático de ratos após neuratomia (CRISCI,2001)
Eletromicrografia do ciático p/
avaliação da bainha de mielina
Ação do ultra-som de baixa intensidade em ossos de ratas ostep ênicas
(CARVALHO, 2001)
a) Tricotomia realizada no
baixo ventre
b)Incisão pele / camada
muscular
c) Ponto da base uterina
(sutura)
d) Sutura interna /
externa
e) Equipamento acoplado a
mesa de imobilização
f) US sobre o colo do
fêmur
a) Bainha com traços anormais após
axotomia (controle)
b) Bainha com traços normais após
axotomia (estimulado)
c) Bainha com traços anormais após
axotomia (controle) fendas parciais (seta)
d) Bainha na célula de Schwann com
traços normais após axotomia
(estimulado)
e) Bainha com traços anormais após
axotomia (controle) detalhe fenda parcial
(seta)
f) Detalhe de bainha e axoplasma com
traços normais após estímulo
Os resultados mostram que as
qualidades biofísicas do US nos
parâmetros utilizados, foram eficazes
na regeneração no nervo ciático
(avaliação nos aspectos morfológicos e
morfométricos ) seccionado.
C o n t r i b u i çõ e s d a B i o e n g e n h a r i a do Brasil
Parâmetros do US
[email protected]
[email protected]
C o n t r i b u i çõ e s d a B i o e n g e n h a r i a do Brasil
Ação do ultra-som de baixa intensidade em ossos de ratas ostep ênicas
(CARVALHO, 2001)
C o n t r i b u i çõ e s d a B i o e n g e n h a r i a do Brasil
Avaliação dos efeitos do Ultra-som pulsado na regeneração de m úsculos
esqueléticos com vista a aplicabilidade na fisioterapia (BASSOLI, 2001)
Métodos de avaliação
a e b) MO do tecido ósseo região proximal
do fêmur ROñt S matriz óssea formada por
osso maduro
c e d) MO do tecido ósseo região proximal
do fêmur ROt S indicam neoformação óssea
e) MEV do tecido ósseo região proximal do
fêmur Roñt S indicam maior destruição da
microarquitetura óssea
f) MEV região proximal do fêmur ROt.
g) Comparação entre diferentes grupos para
cada propriedade mecânica. Não existem
diferenças estatística significativas.
Parâmetros do US
As prop . mecânicas da diáfise femural não
se alteraram nos ossos osteopênicos .
Ossos submetidos ao tratamento não
tiveram aumento significativo de Ca e P. As
análise histológicas indicaram diferenças
estruturais entre os grupos com indícios
de neoformação óssea no grupo tratado.
a)
b)
c)
d)
f)
C o n t r i b u i çõ e s d a B i o e n g e n h a r i a do Brasil
Avaliação dos efeitos do Ultra-som pulsado na regeneração de m úsculos
esqueléticos com vista a aplicabilidade na fisioterapia (BASSOLI, 2001)
Anestesia – injeção intraperitoneal
Incisão dos planos superficiais
Incisão no músculo glúteo maior
e e) Síntese dos planos muscular e superficiais
Estimulação estática com o transdutor ultra -sônico
Þ Frequência = 1,5 MHz
Þ Largura de pulso =200 µs
Þ Frequência de repetição = 1 KHz
Þ Periodo “off” = 800 µs
Þ Ciclo de trabalho = 20%
Þ Intensidade = 16mW/cm2
[email protected]
Perspectivas Futuras
US de baixa intensidade à + 50 anos na medicinao em estudos
envolvendo o tratamento de reparo ósseo, al ém de seu uso em
outras aplicaçõ es.
Resultados:
a) Fotomicrografia de células musculares
normais distantes da área de lesão 10 dias
b) Músculo estimulado com célula satélite em
metáfase
c) Célula muscular estimulada por 10 dias
formando miofibrilas
d ) Vasos neoformados induzidos pela ação do
ultra-som 1200x
Os resultados da análise histopatológica da
evolução temporal da regenaração de
fibras musculares esqueléticas permitem
admitir uma regeneração precoce das
fibras quando estimuladas pelo US
mostrando uma intensa formação
neovascular.
Pesquisas envolvendo outras patologias como tratamentos de
úlceras e osteoporose à prevençã o da perda de massa óssea.
Os estudos realizados pelo Programa de Bioengenharia na USP de
São Carlos, Brasil, se soman ao grande número de estudos
realizados em todo o mundo contribuindo com o esforço de
desenvolver -se u m método que dê uma resposta biol ógica
satisfatória ao complexo processo de cicatrização de fraturas.
www.eesc.usp.br/bioeng ou www.saber.usp.br
[email protected]
[email protected]
4
R e f e r ê n c i a s Bibliogr á f i c a s
1. Mailia E, Nokes LD. The use of ultrasonics in orthopaedics – a review. Technol Healt Care. 1999;7:128
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[email protected]
Muito obrigada!
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