NOVAS TECNOLOGIAS
OSCILAÇÕES
FORÇADAS
Auxílio ao diagnóstico de doenças respiratórias
Pedro Lopes de Melo
Pesquisador do COPPE/UFRJ, Doutor em Engenharia
Biomédica
[email protected]
Marcelo Martins Werneck
Professor Adjunto do Programa de Engenharia
Biomédica/COPPE/UFRJ
Antonio Giannella-Neto
Professor Titular do Programa de Engenharia
Biomédica/COPPE/UFRJ
Foto cedida pelos autores
interesse por técnicas sensíveis para a caracterização da
função pulmonar tem aumentado com o crescimento
da incidência de doenças
respiratórias. A doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC), por exemplo, que
inclui a bronquite crônica, o enfisema e
outras formas de obstrução crônica das
vias aéreas, excluindo a asma, atualmente
ocupa a sexta posição entre as principais
causas de mortalidade no mundo. Estimase que em 2020 essa doença esteja entre as
três primeiras (Murray e Lopez, 1997).
Pesquisas efetuadas nos EUA demonstram que, de 1979 a 1989, essas doenças e
suas condições associadas apresentaram
um crescimento de 69%. Estima-se que,
em 1988, os custos diretos com DPOC e
asma nos Estados Unidos tenham sido de
10,4 bilhões de dólares. O aumento da
população e da expectativa de vida são
parcialmente responsáveis por esses índices, que projetam um número crescente de
pacientes necessitados de assistência respiratória. Esses fatos ressaltam a importância do desenvolvimento de procedimentos
e técnicas visando otimizar a assistência
respiratória.
Nesse contexto, a precisa determinação das propriedades mecânicas do sistema respiratório consiste em significativa
contribuição. Essas propriedades são geralmente representadas por modelos simples, limitados a fornecer apenas uma
representação inicial do complexo comportamento do sistema respiratório.
Quando variações de pressão de pequena amplitude e freqüências mais elevadas que aquelas produzidas no processo
de respiração espontânea são impostas ao
sistema respiratório,modelos mais completos podem ser identificados e, consequentemente, uma descrição mais detalhada do sistema respiratório pode ser
obtida. Estas considerações fornecem a
base para um procedimento de elevado
potencial clínico, visto que, além da identificação de modelos mais realísticos, re18
Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento
Figura 1 - Diagrama em blocos simplificado da instrumentação empregada
em Oscilações Forçadas
quer uma cooperação mínima por parte do
paciente, uma vez que o sinal analisado é
produzido por um dispositivo externo.
Figura 2 - O sistema e sua aplicação
O objetivo deste trabalho é descrever
a técnica baseada nesses princípios, discutir suas vantagens e desvantagens e apresentar algumas das principais áreas de
aplicação atualmente sob estudo.
A Técnica de Oscilações Forçadas
(FOT)
A técnica de Oscilações Forçadas podia ser considerada à frente de seu tempo.
na época de sua proposição original, na
década de 50. Nos anos 70, o aprimoramento da tecnologia associada aos computadores e processamento de sinais for-
neceu a base necessária para seu desenvolvimento (Peslin e Fredberg, 1986). Uma
visão esquemática simplificada da instrumentação empregada nesses estudos é
dada na figura 1. Um sinal elétrico de
excitação é sintetizado por um software
dedicado e posteriormente processado em
uma unidade eletrônica. Por sua vez, esse
sinal é aplicado a um alto-falante, que
produzirá em sua saída um sinal correspondente de pressão. As pequenas oscilações de pressão são conduzidas por meio
de um tubo e aplicadas ao sistema respiratório de um indivíduo respirando espontaneamente. A amplitude dessas oscilações
é controlada de modo que não cause
desconforto ao paciente e mantenha o
sistema respiratório em condições lineares. Uma pequena bomba produz um
fluxo de ar constante (bias flow na figura
1), renovando o ar inspirado pelo indivíduo. A pressão aplicada e o fluxo resultante são medidos próximo à boca pelos
transdutores TP e TF, respectivamente.
Após o processamento desses sinais, a
estimativa da impedância respiratória é
efetuada via software pela razão entre a
pressão e o fluxo. A impedância estimada
por esse método é denominada impedância de entrada do sistema respiratório.
Além de permitir a obtenção de parâmetros de grande importância para a prática
clínica, incluindo a resistência e a complaimpedância respiratória de entrada em
cos e aleatórios na estimativa da impedâncência pulmonares, parâmetros teoricaindivíduos normais e em pacientes. De
cia.
mente sensíveis a obstruções nas vias
uma maneira geral, o indivíduo normal
Outra limitação está associada à impeaéreas também são obtidos. A Figura 2
apresenta uma curva relacionada com o
dância das paredes das vias aéreas superiilustra a realização desses estudos. Durancomportamento resistivo de valor constanores, incluindo as bochechas, que se ente os ensaios, os indivíduos permanecem
te. A reatância em baixas freqüências aprecontram mecanicamente paralelas ao sissentados; com a cabeça na posição neutra,
senta-se negativa, devido à complacência
tema respiratório. Essa impedância introsão requisitados a usar um clip nasal,
do sistema, exibindo um valor crescente
duz uma fonte de erro que pode ser
suportar suas bochechas firmemente com
até um valor nulo, em torno de 6 Hz
significativa na presença de elevadas imas mãos e respirar calmamente através de
(freqüência de ressonância). A partir desse
pedâncias do sistema respiratório, condium bocal. O ensaio tem início após um
ponto, a reatância torna-se positiva, domição usualmente encontrada em crianças e
período de, aproximadamente, um minuto
nada pelas propriedades inerciais do sisteem diversos estados patológicos.
de adaptação ao aparato, sendo composto
ma. Pacientes, em geral, exibem valores
A falta de especificidade no diagnóstipor algumas seções de 16 segundos e
mais elevados de resistência, decrescendo
co representa uma outra limitação inerente
completado em aproximadamente 10 micom o aumento da freqüência. O módulo
à FOT. Um mesmo padrão de alteração nas
nutos.
da reatância em baixas freqüências é maior
curvas de resistência e reatância foi deEm função das complexas estruturas
em função de menores complacências e a
monstrado em pacientes com obstrução
presentes no sistema respiratório,
nas vias aéreas superiores, nas
consistindo de elementos apreseninferiores, decorrente de doença
tando propriedades elásticas, repulmonar intersticial ou associasistivas e inerciais, as componenda à parede torácica. Essas alterates dos sinais de pressão e fluxo
ções provavelmente espelharam
estarão normalmente fora de fase,
o aumento da influência da impeexceto para uma dada componendância relativa às vias aéreas sute conhecida como freqüência de
periores como conseqüência do
ressonância. A maneira mais usual
aumento da impedância do sistede descrever este deslocamento
ma respiratório. Em decorrência
no tempo é dividir a impedância
da importância social de novas
em uma componente real, ou retécnicas para análise do sistema
sistência (Rrs), e uma parte imagirespiratório, um grande esforço
Figura 3A - Ilustração do comportamento da resisnária, ou reatância (Xrs). A identifide pesquisa vem sendo desentência apresentadas por indivíduos normais e pacicação das propriedades mecânicas
volvido nessa área. Assim, acreentes
do sistema respiratório é feita por
ditamos que, à semelhança das
meio da estimativa dessas grandelimitações técnicas iniciais, esses
zas em várias freqüências, sendo a mais
freqüência de ressonância é geralmente
inconvenientes também serão minimizacomum a situada entre 2 e 32 Hz. A
maior. O perfil da curva de reatância é mais
dos. Algumas aplicações importantes, do
utilização dessa faixa de freqüência aprelinear que em indivíduos normais. A Figura
ponto de vista clínico, são descritas a
senta a vantagem de minimizar o efeito do
3 procura ilustrar o comportamento citado.
seguir.
sinal respiratório, cuja freqüência fundaDiversos trabalhos sugerem que a depenmental encontra-se em torno de 0,25 Hz.
dência em freqüência da componente real
Principais aplicações atualmente
Nessa faixa, os resultados refletem, princida impedância está fortemente relacionasob investigação
palmente, os efeitos das vias aéreas cenda com a obstrução brônquica, representrais. Freqüências abaixo de 2 Hz apresentando um parâmetro muito sensível na
Detecção de problemas respiratórios
tam resultados dominados pelas propriedetecção de obstrução das vias aéreas.
dades dos tecidos.
Existe uma forte evidência na literatura
A confiabilidade dos resultados obtiAtuais limitações da técnica
de que FOT pode fornecer sensíveis indidos no exame, comprometida por interfecadores de obstrução das vias aéreas em
rências devido aos ruídos associados à
De maneira similar às outras técnicas
estado inicial. Essa hipótese é suportada
instrumentação e de natureza fisiológica,
de avaliação pulmonar, as principais limipor estudos em fumantes, onde a resistênligada ao processo de respiração espontâtações da FOT precisam ser reconhecidas.
cia tende a ser mais elevada e mais depennea do paciente, pode ser avaliada por um
A primeira refere-se à correlação fisiológidente da freqüência que em indivíduos
índice conhecido como função de coerênca para as variações nos diferentes índices,
não-fumantes. Resultados similares foram
cia. Desta maneira, em um tempo de
que permanece hipotética. Uma significaobtidos em estudos envolvendo indivíduensaio relativamente curto, usualmente
tiva parcela da pesquisa conduzida atualos com DPOC e asmáticos. Nesses, a
alguns minutos, e requerendo cooperação
mente é direcionada no sentido de identidependência da componente real com a
mínima do paciente, esta técnica é capaz
ficar os índices derivados da FOT mais
freqüência parece mais pronunciada em
de estimar o valor de resistência respiratóadequados às aplicações clínicas visadas.
pacientes com obstruções mais severas.
ria (Rrs) e reatância (Xrs) médias em várias
Parâmetros como a freqüência de ressoEssa dependência pode refletir o efeito
freqüências, juntamente com um índice da
nância, resistência, inertância e complaconjunto de dois fenômenos: não-homoconfiabilidade desses resultados. Essas
cência são os mais comuns em estudos
geneidade em diferentes regiões do pulcaracterísticas conferem à técnica um granconduzidos nos centros de pesquisa mais
mão e/ou o efeito da impedância das vias
de potencial de aplicação em estudos que
tradicionais.
aéreas superiores. Outro fenômeno coenvolvam condições em que a respiração
Quando o indivíduo respira através do
mum em pacientes obstrutivos é um auespontânea é preferida em relação às maequipamento, os resultados são contamimento da freqüência de ressonância, usunobras respiratórias. Existe um consenso
nados pelo “ruído” associado à respiração
almente atribuído às não-homogeneidana literatura sobre o comportamento da
espontânea, que introduz erros sistemátides pulmonares.
Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento
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Avaliação da mecânica
ventilatória infantil
A necessidade de compreensão e cooperação limita a aplicação de avaliações
envolvendo espirometria em crianças de
idade menor que seis anos. As crianças
asmáticas representam cerca de 5% a 10 %
da população pediátrica, sendo que os
primeiros sinais da doença se manifestam
por volta dos 4 anos. Quanto mais cedo for
efetuada a identificação da doença, mais
efetivo será o tratamento. Diversos trabalhos indicam que este compõe um dos
campos de aplicação mais promissores para
a FOT, visto que a realização destes exames
é mais simples e mais aceita pelas crianças,
permitindo, inclusive, avaliar aquelas que
ainda não sejam capazes de compreender
as manobras respiratórias exigidas pelas
técnicas convencionais.
ram que as alterações nos índices estimados por meio dos ensaios de impedância
refletiram as modificações presentes nos
resultados obtidos com técnicas tradicionais. Informações complementares aos
ensaios de espirometria foram fornecidas
por FOT durante a investigação de indivíduos expostos a agentes respiratórios irritantes.
Conforme observado nos tópicos anteriores, a aplicação clínica da FOT encontrase atualmente sob intensa discussão na
literatura. Teoricamente, a quantidade de
informação que pode ser extraída dos dados obtidos por meio dessa técnica é função essencial de dois fatores: o primeiro
está ligado às condições experimentais,
enquanto o segundo relaciona-se com a
faixa de freqüências coberta pelo estudo. O
aumento dessa faixa permite a representação do sistema respiratório por meio de
Monitorização de
pacientes
sob ventilação mecânica
Essa avaliação tem sido
usualmente efetuada pela
técnica de oclusão das vias
aéreas e por meio do ajuste
de um modelo às relações
pressão-vazão respiratória
por regressão linear múltipla. A aplicabilidade desses métodos é geralmente
limitada pelo requisito de
que o paciente se encontre
com os músculos respiraFigura 3B - Ilustração do comportamento de reatância
tórios relaxados. Por outro
tadas por indivíduos normais e pacientes
lado, a FOT é aplicável em
qualquer condição em que esteja o pacien- modelos cada vez mais detalhados, capate ao longo de todo o curso do tratamento, zes de prover maior quantidade de infordo período agudo, durante o uso de seda- mação. Essas afirmações ressaltam a importivos, ao final do período de separação do tância de novos estudos para o bom desempaciente do ventilador, quando este se penho e o aprimoramento da técnica.
encontra apto a respirar espontaneamente.
Adicionalmente, a FOT se mostra útil no
Resultados técnicos e clínicos
ajuste dos parâmetros do ventilador. A
obtidos no COPPE/UFRJ
presença do tubo endotraqueal introduz
uma resistência dependente do fluxo em
Aprimoramentos técnicos visando a
série com o sistema respiratório constituin- minimização do efeito do sinal respiratório
do uma fonte de erro pois, neste caso, a nos resultados dos exames vem sendo
condição de linearidade não é satisfeita.
investigados apresentando resultados proA necessidade de superpor as oscila- missores (Melo et alii, 1988). Essa pesquisa
ções às grandes variações de pressão pro- é particularmente importante na otimizaduzidas pelo respirador representa um se- ção dos exames em crianças, devido à
gundo problema de ordem técnica.
interferência provocada pelos harmônicos
elevados associados às maiores freqüênciMedicina do trabalho
as respiratórias.
Em termos clínicos, estudos iniciais
Em teoria, a sensibilidade na detecção conduzidos em asmáticos revelaram comde obstruções nas vias respiratórias em ponentes reais mais elevadas e maiores
estado inicial torna a FOT interessante na freqüências de ressonância que as presenavaliação de indivíduos expostos a riscos tes em indivíduos normais. A asma é caracocupacionais.
terizada por uma constrição nas vias aéreas,
Estudos anteriores nessa área indica- de alcance variável, relacionada à ação do
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muco, contração da musculatura brônquica, edema e infiltração na mucosa brônquica. Nossos resultados encontram-se em
concordância com esta proposição, fornecendo evidências adicionais de que a técnica de FOT pode avaliar obstruções presentes nas vias aéreas em indivíduos asmáticos assintomáticos.
Considerações gerais
Diversos autores sugerem que a escolha da técnica a ser empregada no exame
deve basear-se nas condições do indivíduo a ser examinado. Análises em indivíduos adultos, em condições de cooperar
com o exame podem ser efetuadas por
técnicas tradicionais como a espirometria.
Os novos parâmetros derivados da análise
mais detalhada efetuada por FOT poderiam contribuir para um diagnóstico mais
acurado nesses indivíduos
fornecendo informações
complementares às obtidas
pelas técnicas clássicas. Indivíduos anestesiados, de
idade muito baixa ou muito
alta, ou, por algum motivo,
incapazes de realizar os exames tradicionais, poderiam
ser beneficiados pela característica de baixa cooperação exigida pela FOT.
Conclusões
A baixa cooperação e o
nível de detalhe do exame
efetuado por FOT são características complementares às técnicas tradicionais. Trabalhando
em conjunto com essas técnicas, a FOT,
em breve, constituirá uma importante alternativa para aplicações clínicas de rotina,
contribuindo para aumentar o acesso da
população aos cuidados com as doenças
respiratórias.
apresen-
Referências
Murray, C.J.L. e Lopez, A.D., (1997).
“Alternative projections of mortality and
disability by cause 1990-2020: global burden of disease study”. The Lancet, vol. 349:
pp. 1489-1504.
Peslin, R. e Fredberg, J. J., (1986b),
“Oscillation mechanics of the respiratory
system” in “Handbook of physiology”, Vol.
3, part I. Am. Physiol. Soc., Bethesda,
Maryland, sect. 3.
Melo, P. L., Werneck, M.M., GiannellaNeto, A., “Linear Servocontroled pressure
generator for forced oscillations measurements”, Medical and Biological Engineering and Computing, vol. 36, no.1, janeiro
de 1998.