A segurança dos pacientes na medicina clínica depende da detecção de bolhas de líquido, uma tarefa crítica que pode prevenir ameaças fatais à vida.
Por exemplo, durante o processo de diálise, o ar pode entrar no circuito de diálise por áreas ao redor da agulha arterial, através de tubos ou conexões com vazamentos, ou quebrados. Se o ar entrar na corrente sanguínea, pode desencadear embolias potencialmente fatais. Bolhas de ar grandes no cérebro, coração ou pulmões de um paciente podem causar derrame, ataque cardíaco ou insuficiência respiratória. Máquinas de diálise com tecnologia de detecção de bolhas podem identificar bolhas de ar no sistema. Essas bolhas são removidas por meio de um coletor de bolhas antes do sangue retornar ao paciente, garantindo a segurança e a eficácia do procedimento. Este artigo explica os métodos usados para detectar bolhas de ar em equipamentos médicos para garantir uma operação confiável.
O princípio de funcionamento de um sensor de bolhas é detectar bolhas de ar
O detector de bolhas utiliza um transdutor piezoelétrico embutido que emite um sinal ultrassônico em curtos pulsos. O sinal passa pelo tubo e seu conteúdo. Um receptor piezoelétrico então detecta o sinal ultrassônico. Como os líquidos são excelentes condutores de ultrassom, um sinal forte é detectado quando o tubo está cheio de líquido. As bolhas de ar impedem a transmissão eficiente das ondas ultrassônicas, resultando em um sinal enfraquecido. Um circuito interno mede a amplitude do sinal do receptor e fornece a saída apropriada, como mostrado na Figura 1a.
Considere um detector de bolhas de ar, como o AD-101 da TE, que pode ser instalado diretamente no tubo usado para administrar o líquido no paciente.
Os sensores de bolhas são projetados para operações não invasivas. Eles interagem de forma eficaz através das paredes de um tubo, sem necessidade de graxa ou outros materiais de acoplamento acústico. A aplicação mais comum dos sensores ultrassônicos de bolhas é em dispositivos médicos.
Esses sensores possuem quatro componentes principais – um transmissor ultrassônico, um receptor ultrassônico, circuitos de processamento de sinais e uma carcaça.
Os transdutores são montados em uma carcaça que permite que o tubo seja pressionado em uma ranhura entre o transmissor e o receptor. O transmissor emite um pulso de energia ultrassônica através da carcaça e para dentro do tubo, enquanto o receptor monitora qualquer sinal recebido. Geralmente, os tubos apresentam três estados:
- Líquido no tubo: A maior parte do ultrassom atravessa o tubo e é detectada por um receptor no lado oposto.
- Ar no tubo: A maior parte do ultrassom é refletida na interface tubo-ar e se dissipa. O receptor detecta um sinal muito fraco.
- Bolha no tubo: A bolha bloqueia apenas uma parte da energia ultrassônica. A eletrônica do receptor interpreta o sinal e envia um alarme caso a quantidade de energia recebida esteja abaixo de um limite estabelecido.
Como escolher as especificações adequadas do sensor de bolhas para uma aplicação?
Uma consideração importante para a detecção de bolhas de ar em hemodiálise é a sensibilidade ao tamanho das bolhas. Por exemplo, alguns detectores de bolhas de ar conseguem identificar bolhas com tamanhos tão pequenos quanto 25% do diâmetro interno do tubo. Como bolhas maiores representam riscos mais significativos, esses detectores podem ser configurados para identificar apenas bolhas de um tamanho específico ou maior, ignorando as menores, se necessário. Outra consideração crucial é a necessidade de monitoramento sem contato das bolhas de ar para eliminar qualquer possível contaminação dentro do sistema. Detectores de bolhas de ar baseados em tecnologia ultrassônica são altamente eficazes, pois permitem a detecção de bolhas dentro do tubo sem que o sangue entre em contato com o sensor. Integrar esses detectores aos sistemas de hemodiálise oferece medidas adicionais de segurança, melhorando o bem-estar do paciente e os resultados da diálise. Os parâmetros importantes geralmente considerados para o projeto de sensores de bolhas são:
- Sensibilidade/Precisão: Capaz de detectar pequenas bolhas de ar (mínimo de 70% do diâmetro interno do tubo).
- Tempo de Resposta: Igual ou menor que 0,25 milissegundos.
- Confiabilidade: Capacidades de autodiagnóstico contínuo.
- Facilidade de Integração: Design não invasivo com capacidades de personalização para se ajustar a diversos tipos de tubos.
- Conformidade: Alta imunidade a ruídos de EMI/EMC conforme IEC61000-4.
Critérios para seleção do tubo em um sensor de bolhas
Os fatores críticos a serem considerados para a seleção do tubo são:
- Quão bem o tubo é acoplado acusticamente ao sensor.
- Quanto de energia ultrassônica é refletida na interface sensor/tubo.
- Quão bem o tubo transmite ultrassom através do material do tubo.
Tubos de plástico e borracha
- Esses tubos podem ser acoplados a um sensor de bolhas sem a necessidade de um acoplamento acústico, como graxa. Um bom acoplamento acústico pode ser alcançado pressionando o tubo em uma ranhura na carcaça do sensor de bolhas. A ranhura deve ter uma largura de aproximadamente 80% do diâmetro externo do tubo. As paredes do tubo devem ser suficientemente grossas e rígidas para permitir o contato acústico. Tubos reforçados (trançados) podem, às vezes, apresentar problemas em relação à transmissão de ultrassom.
- Tubos com paredes muito espessas ou materiais que transmitem ultrassom de maneira extremamente eficiente podem causar “crosstalk” ultrassônico. Isso ocorre quando o receptor ultrassônico captura muita energia ultrassônica que viaja pelas paredes do tubo, em vez de passar pelo fluido dentro do tubo. Considerações especiais devem ser tomadas para esses tipos de tubos.
Tubos de plástico: Tubos rígidos na escala de dureza Shore D, como PTFE, PFA, FEP, etc., podem ser acoplados aos sensores, desde que as paredes sejam suficientemente finas para serem comprimidas em 20% sem danificar o sensor ou o tubo. No entanto, esses tubos se deformam permanentemente com inserções repetidas, o que reduz o acoplamento acústico, e o sensor pode não funcionar corretamente com inserções subsequentes.
Tubos de vidro: São muito frágeis, e pode ser necessário um sensor personalizado para uma interface adequada. O acoplamento acústico pode ser alcançado utilizando um material de acoplamento “úmido”, como graxa, ou um material de borracha macia no sensor.
Tubos metálicos: Assim como os tubos de vidro, os tubos metálicos não podem ser deformados, exigindo um sensor personalizado que use acoplamento “úmido”, como graxa ou um material de borracha macia. Tubos metálicos também têm uma alta impedância acústica, e os parâmetros do sensor devem ser ajustados com precisão à espessura da parede do tubo para uma transmissão eficaz do ultrassom.
Calibração de um sensor de bolhas
A calibração é realizada injetando bolhas de tamanhos conhecidos em um sistema de geração de bolhas para dentro do tubo e ajustando a sensibilidade do sensor de bolhas até que o desempenho desejado seja alcançado.
Normalmente, a calibração é feita com uma bolha grande, que deve ser detectada pelo sensor de bolhas, e uma bolha pequena, que deve ser ignorada. Bolhas com tamanho entre a bolha grande e a bolha pequena podem ou não ser detectadas e variam entre os sensores de um lote. Frequentemente, os tamanhos de bolha escolhidos para os testes finais são mais rigorosos do que os requisitos da aplicação para compensar a não repetibilidade de desempenho dos tubos viscoelásticos utilizados.
Tamanho necessário da bolha para ser detectada no tubo
O tamanho da bolha detectável depende de vários fatores, como o design do sensor, a calibração, as propriedades do tubo e a orientação de montagem do sensor. Geralmente, uma bolha que preenche todo o diâmetro do tubo sempre será detectada. Com uma calibração adequada, um sensor pode normalmente detectar uma bolha tão pequena quanto 50% do diâmetro interno do tubo.
A orientação do sensor em relação à gravidade pode afetar significativamente o tamanho da bolha detectável. O feixe ultrassônico do sensor viaja pelo centro do tubo, criando pequenos “pontos cegos” ultrassônicos acima e abaixo do caminho acústico (veja a Figura 3). As forças de flutuabilidade fazem com que as bolhas se movam para o “topo” do tubo em relação à gravidade. Se o sensor estiver montado como mostrado na Figura 3, grande parte da bolha pode entrar no ponto cego, dificultando a detecção.
Como mostrado na Figura 3, posicione o sensor para detectar as bolhas mais pequenas possíveis, garantindo que uma bolha bloqueie o máximo de feixe ultrassônico possível.
Isso é muito importante em tubos de grande diâmetro, onde a tensão superficial impede que as bolhas preencham todo o diâmetro do tubo. Uma bolha em um tubo de grande diâmetro pode se alongar à medida que cresce, sem ocupar mais do diâmetro do tubo.
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Conclusão
Este artigo técnico fornece uma visão geral do uso de sensores de bolhas em aplicações de dispositivos médicos. A tecnologia ultrassônica pode rastrear líquidos, ar e bolhas no tubo ao qual o sensor de bolhas está diretamente montado. O tamanho das bolhas em um sensor depende do diâmetro do tubo. Este método não introduz qualquer contaminação, pois é uma detecção sem contato. Diferentes critérios devem ser seguidos ao montar sensores de bolhas com diferentes materiais de tubo. Pontos cegos no tubo podem afetar a sensibilidade; portanto, montar o sensor considerando a direção da gravidade ajuda a contornar as bolhas de ar.
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