Tomógrafo de impedância elétrica desenvolvido pela USP monitora o pulmão de pacientes em tratamento intensivo

Rodolfo Blancato / USP Online
rodolfo.barros@usp.br

Dez anos atrás o pneumologista Marcelo Amato encontrou por acaso o engenheiro Raul Gonzalez no corredor de um hospital e perguntou a ele sobre a possibilidade de desenvolver um equipamento de diagnóstico por imagem que utilizasse eletricidade para mapear o funcionamento do pulmão. Gonzalez respondeu que era algo fácil de se fazer. “Foi a resposta mais ingênua que eu já dei”, diz hoje o engenheiro.

Não foi fácil como pensava o professor, mas do encontro nasceu uma parceria entre a Escola Politécnica (Poli) e a Faculdade de Medicina da USP (FMUSP) que resultou no desenvolvimento de um tomógrafo de impedância elétrica com tecnologia nacional. Também participaram da pesquisa o Instituto de Matemática e Estatística (IME) da USP e a Dixtal Biomédica, uma empresa especializada em equipamentos hospitalares. Nesta quinta-feira (18), na FMUSP, acontece o lançamento de uma versão do equipamento que será comercializada em pequena escala para centros de pesquisa.

Desde 2006 o tomógrafo é utilizado experimentalmente no Hospital das Clínicas (HC) da FMUSP para monitorar pacientes em tratamento intensivo que necessitam de ventilação artificial. Nesses casos, a eficiência do tratamento normalmente é medida através de exames de sangue que avaliam a quantidade de oxigênio e gás carbônico presentes na circulação. Através da tomografia de impedância elétrica é possível controlar melhor, de forma localizada, o volume de ar injetado, já que a técnica gera uma imagem do fluxo de ar nos pulmões.

“Vamos supor que todo o ar injetado vá para o pulmão direito, e nada para o esquerdo. Isso não é bom. Mesmo que as taxas de oxigênio e gás carbônico estejam boas, a médio prazo isso será ruim para o paciente. O equipamento dá informações sobre a distribuição de ar dentro do órgão, algo que não se consegue saber pelo teste de sangue. Em algumas situações, tais informações podem ser salvadoras”, explica Carlos Carvalho, professor da FMUSP que participou do desenvolvimento do aparelho.

Raul Gonzalez diz que as primeiras patentes sobre o assunto têm cerca de 20 anos e que hoje existem aproximadamente 30 grupos de pesquisa em todo o mundo desenvolvendo a tecnologia. Alguns protótipos já foram comercializados em pequena escala, para fins experimentais, assim como o da USP. Mas, segundo Carvalho, essas máquinas são mais rudimentares, gerando imagens numa velocidade menor e com uma resolução mais baixa. O equipamento lançado na USP cria 50 imagens por segundo.

A imagem obtida pela tomografia de impedância elétrica em um porquinho-da-índia (acima) mostra que o ar está entrando por apenas um dos pulmões, o que não é perceptível na que
foi capturada pelo tomógrafo de raios-X (abaixo).

A tecnologia
A tomografia por impedância elétrica (TIE) não substitui inteiramente outros métodos de diagnóstico por imagem, como a tomografia de raios-X, o método mais utilizado quando se trata do pulmão. O equipamento desenvolvido pela USP oferece informações sobre o fluxo de ar no órgão, o que é impossível através do raio-X, mas sem seu detalhamento anatômico. Apesar disso, por meio da TIE o paciente pode ser monitorado por muito mais tempo, já que ele não é submetido à radiação. “É possível utilizar o tomógrafo por vários dias, acredita-se que por semanas, sem grandes problemas. Essa é uma grande vantagem, porque em questão de uma hora o quadro clínico pode se alterar significativamente”, afirma Gonzalez. A máquina também é portátil, o que evita os riscos envolvidos no deslocamento de doentes em estado grave - além de ser cerca de 15 vezes mais barata do que o tomógrafo de raios-X.

O tomógrafo por impedância obtém as imagens através de uma cinta com 32 eletrodos, iguais aos utilizados em um eletrocardiograma, que é conectada ao tórax do paciente. O aparelho funciona aplicando-se uma corrente elétrica de intensidade baixíssima ao tórax e medindo-se as alterações que ocorrem quando os pulmões se enchem de ar.

A parte eletrônica do equipamento é sofisticada, pois é necessário captar diferenças de potencial elétrico muito pequenas. “Os sinais são muito fracos, e parte se perde por causa da capacitância dos próprios cabos. Então eles têm que ter baixa capacitância e não podem permitir interferências eletromagnéticas, que são significativas quando se trabalha com sinais dessa magnitude”, diz Gonzalez.

Fora da UTI a técnica também é promissora. Segundo Carlos Carvalho, imagens obtidas de pacientes submetidos a transplante de apenas um pulmão indicam que, em certos casos, o órgão transplantado realiza sozinho todo o trabalho de ventilação. “O pulmão ‘ruim’ às vezes até atrapalha o outro. Essa é uma informação que não tínhamos, porque nós só olhávamos o paciente por fora e avaliávamos seus níveis de oxigênio e gás carbônico. Então estamos questionando se vale a pena deixar esse pulmão residual.” A técnica está sendo aprimorada para também obter informações sobre a perfusão (irrigação sanguínea) pulmonar e auxiliar no diagnóstico de outra patologias, como pneumotórax (o acúmulo de ar entre o pulmão e a pleura, uma mebrana que recobre o tórax) e atelectasia (colapso do pulmão causado pela obstrução dos brônquios). Matéria: Portal da Radiologia.

Em pacientes sob ventilação mecânica com lesão pulmonar aguda, mudanças da impedância pulmonar ao final da expiração (medidas através da TIE) foram comparadas com mudanças do volume pulmonar (VPFE) medido pela técnica de washout de nitrogênio durante incrementos selecionados de PEEP [15]. As medidas da impedância pulmonar ao final da expiração foram calculados por 14 respirações consecutivas através da média dos valores ao longo do curso de impedância pulmonar mínima. Assim, Hinz e colaboradores demonstraram uma significante correlação linear entre as alterações de impedância pulmonar e o VPFE (r ² = 0.95). As medidas da impedância pulmonar ao final da expiração, no entanto, refletem variações de impedância relativa em um corte transversal do tórax, enquanto mudanças no VPFE avaliam o volume total do pulmão. Portanto, a heterogeneidade regional da distribuição da ventilação deve ser responsabilizada pelos resultados levemente diferentes entre as mudanças na impedância pulmonar ao final da expiração e mudanças em VPFE, dependendo da região do pulmão monitorada com TIE.

Comparação com TC em pacientes com lesão pulmonary aguda (LPA) e síndrome da angústia respiratória aguda (SARA)

Recentemente, Victorino e colaboradores [5] compararam mudanças de impedância regional com medidas de densidade do pulmão usando tomografia computadorizada (TC). Neste estudo, uma manobra de inflação lenta foi registrada com TIE em 10 pacientes sob ventilação mecânica com LPA/SARA. Posteriormente a mesma manobra de inflação lenta foi repetida no exame da TC. Ambas técnicas detectaram uma distribuição de ventilação heterogênea privilegiando áreas não-dependentes do pulmão (proporção ventral/dorsal 82/18% e 75/25% para TIE e TC, respectivamente). Mudanças de impedância relativa regional na TIE demonstraram uma correlação excelente (R² = 0.92) com mudanças do conteúdo do ar estimados pela TC. Em todos os pacientes com LPA/SARA, as mudanças em impedância mostraram boa reprodutibilidade (DP 4.9%) entre medidas repetidas no mesmo paciente. A maior limitação desse estudo foi que imagens de TIE e TC não foram obtidas simultaneamente devido à interferência eletromagnética do equipamento durante o exame de TC. Apesar dessa limitação metodológica, essas observações apóiam fortemente que mudanças de impedância relativa regional estão correlacionadas estreitamente com mudanças de volume regional do pulmão detectadas pela TC.

As aplicações iniciais da TIE na medicina intensiva, validadas pelos estudos citados acima, concentraram-se principalmente na ventilação e na sua distribuição. Mais recentemente, outras ferramentas estão sendo estudadas como, por exemplo, detecção do pneumotórax e avaliação de recrutamento e colapso pulmonares. Essas ferramentas, em geral, são mais complexas e pressupõem a capacidade da TIE de medir variações de conteúdo de ar local. Estudos recentes tambem tem buscado avaliar a perfusão pulmonar através da TIE, inclusive vislumbrando a possibilidade de estudar a distribuição ventilação-perfusão.

Uma cuidadosa titulação da PEEP é importante para o sucesso das estratégias ventilatórias baseada na abordagem do pulmão aberto (open lung strategy). Parâmetros globais tais como curvas pressão-volume ou complacência do sistema respiratório são falhos em representar o que acontece nas regiões mais basais do pulmão .

Colapso e distensão dos compartimentos pulmonares geralmente coexistem, e a TIE é um método capaz de avaliar ambos simultaneamente. A TIE é, portanto, uma ferramenta valiosa para a titulação da PEEP. Nosso grupo descreveu um método baseado na TIE para avaliar o colapso alveolar à beira de leito, observando sua distribuição regional. Em um modelo experimental em porcos, nós encontramos uma boa correlação entre as estimativas de colapso obtidas através da TIE e da tomografia computadorizada do tórax. Neste experimento, ambas as técnicas simultaneamente estimavam a quantidade de colapso durante níveis decrementais de PEEP (depois de uma manobra de recrutamento pulmonar). Combinando informação obtida da TIE e de mecânica respiratória, é também possível estimar a quantidade de hiperdistensão durante o PEEP trial, embora a validação de tais estimativas represente um desafio devido à ausência de um padrão-ouro para comparação . Méier e colaboradores recentemente utilizaram a TIE para monitorar o volume corrente durante a manobra da titulação da PEEP em um modelo de depleção de surfactante em porcos. Observando essas mudanças nos volumes correntes regionais que ocorreram com mudanças no PEEP, eles foram capazes de detectar o inicio do colapso regional do pulmão, bem como o recrutamento regional pulmonar antes das mudanças globais ocorridas na mecânica pulmonar. Além disso, eles mostraram uma boa correlação da ventilação avaliada pela TIE e pela TC confirmando os resultados de Victorino e colaoradores. Juntos, esses resultados trazem a possibilidade de titulação da PEEP à beira de leito baseada na avaliação regional da mecânica pulmonar.

Em um estudo similar, Luespschen e colaboradores mostraram que o centro de gravidade das imagens de ventilação move no sentido dorsal durante o recrutamento do pulmão e no sentido ventral durante o colapso pulmonar. Outros autores também utilizaram o centro de gravidade da ventilação para avaliar o recrutamento pulmonar . Em experimento com 16 porcos recém-nascidos, lesão pulmonar induzida por lavagem salina, Frerichs e colaboradores, mostraram que a TIE permite a visualização de efeitos da LPA, do recrutamento pulmonar, do efeito da administração de surfactante e de estratégias de ventilação mecânica. Eles mostraram que a lesão pulmonar desloca a ventilação ventralmente e o recrutamento do pulmão restaura o centro da ventilação para uma posição normal. Depois da administração de surfactante, a ventilação muda ventralmente após 10 a 60 min, mas permanece na posição pré lesão se a administração do surfactante é seguida de uma manobra de recrutamento.

Outros métodos para avaliar o recrutamento do pulmão usando TIE tem sido propostos. Recentemente Wrigge e colaboradores [20*] compararam TIE com TC dinâmica em 18 porcos divididos em três grupos (controle, lesão direta e lesão pulmonar indireta). A TIE permitiu a monitorização em tempo real da distribuição da ventilação regional. Durante uma insuflação lenta, o recrutamento regional foi detectado com atraso entre a inspiração e o começo da insuflação regional (índice de ventilação com atraso). Hinz e colaboradores monitoraram 20 pacientes sob ventilação mecânica com LPA/SARA e mostrou que o comportamento temporal da impedância regional foi heterogêneo e significantemente diferente comparada com aquele do pulmão inteiro. Esses achados sugeriram a ocorrência de hiperdistensão e recrutamento cíclicos em diferentes regiões do pulmão.

Embora titulação da PEEP cuidadosa seja importante, as condições do pulmão frequentemente se modificam e a PEEP selecionada poderá não ser suficiente para manter o pulmão aberto todo o tempo, especialmente se uma breve despressurização do pulmão ocorrer. Despressurização é particularmente comum quando é necessária aspiração do tubo endotraqueal para limpeza de secreções. Para estimar o desrecrutamento causado por um sistema fechado de aspiração, Wolf e colaboradores estudaram

seis crianças com SARA sob ventilação mecânica controlada por pressão e continuamente monitorada por TIE. Eles mostraram que o volume dos pulmões diminuiu em média de 5.3mL/Kg depois de três manobras de aspiração. Inesperadamente, eles mostraram que as regiões mais dorsais do pulmão eram as menos afetadas pelo desrecrutamento. Esse achado sugere a presença de ar represado nas regiões dependentes do pulmão.

Em porcos monitorados com TIE depois da depleção por surfactante, Lindgren e outros. acharam resultados diferentes. Eles mostraram que a sucção endotraqueal induzia colapso do pulmão e reduzia a complacência regional do pulmão durante o sistema aberto da sucção, mas não no sistema fechado. O colapso foi predominantemente nas regiões dorsais, mas o recrutamento foi restabelecido em menos de 10 minutos simplesmente reconectando o ventilador. Todavia, é importante lembrar que o modelo da depleção de surfactante utilizadas nas lavagens do pulmão inteiro implica em pulmões com colapso mais facilmente recrutável. Em um outro relatório os mesmos autores usaram TIE para avaliar o colapso do pulmão durante sucção broncoscópica em pacientes sob ventilação mecânica e doença pulmonar . Eles elegantemente mostraram que, inicialmente, o broncoscópio causa um aumento do auto-PEEP devido à redução da área transversa disponível para o fluxo aéreo, mas posteriormente a sucção levava a uma redução da aeração e da complacência , mesmo quando um sistema de sucção fechado era utilizado. Os autores obtiveram achados similares em ambos modos de ventilação, pressão ou volume controlado. Assim, a TIE poderá ser uma ferramenta útil para determinar a quantidade de colapso decorrente e guiar o recrutamento pós-sucção em pacientes sob ventilação mecânica e submetidos à broncoscopia. Matéria: Timpel.com.br