1 SISTEMA DE CONTROLE E AUTO-DIAGNÓSTICO PARA INDICADORES
BIOLÓGICOS
Karoline Diniz Rosa¹; Ricardo Martinez Vicentini² Orientador: Cláudio Luís Magalhães Fernandes
Co-orientador: Leonardo Espírito Santo
Graduando do Curso de Tecnologia em Automação Industrial – FATEF E-mail: [email protected]¹; [email protected]²
Resumo - Saúde sempre foi o foco de muita atenção na vida das pessoas.
Qualidade e higiene em um procedimento cirúrgico são itens indispensáveis para o sucesso de uma cirurgia. Para isso, após cada cirurgia, é necessário esterilizar todo o instrumental cirúrgico utilizado no procedimento. Assim surge a necessidade de um instrumental que tenha a função de eliminar qualquer tipo de bactéria ou outro organismo nocivo ao ser humano e que controle todo o processo automaticamente. Após pesquisa bibliográfica, não foi encontrado nenhum equipamento capaz de controlar a temperatura, tempo de incubação, um sistema de supervisão e um diagnosticador automático. O objetivo deste trabalho é a construção de um protótipo capaz de capturar as ampolas de forma autônoma após o período de incubação, controlar o tempo de incubação dos indicadores biológicos, realizar o descarte dos indicadores biológicos após o processo, estabelecer um padrão para reconhecimento de cores e um sistema de supervisão para monitoramento do status do processo.
Na construção deste protótipo foi utilizado um sistema de posicionamento através de um robô cartesiano que operou de forma positiva, mostrando uma boa precisão na captura das ampolas. O controlador do robô também funcionou de forma satisfatória, mostrando-se imune a ruídos causados pela rede, não perdendo a referência de posicionamento enviada para o sistema robótico e validando de forma precisa o processo de esterilização.
Palavras-chave: Esterilização, Robô Cartesiano, Sistema Supervisório, Auto
Diagnóstico.
1. INTRODUÇÃO
A infecção hospitalar é um grave problema de saúde pública e representa um grande desafio a ser enfrentado para a execução das ações de prevenção e controle de infecção nas instituições hospitalares.
A realidade de muitos hospitais ainda é deficiente sob aspectos relativos a essas questões.
2 Alguns equipamentos destinados à esterilização e ao controle da incubação de bacilos já existem no mercado. Recentemente, o fabricante SGM BIOTECH (empresa americana) lançou no mercado um equipamento capaz de controlar o tempo e a temperatura de incubação dos indicadores biológicos e, no final do processo, imprime um comprovante contendo entre outras informações, a aprovação ou reprovação do processo de esterilização.
No entanto, após pesquisas, não encontramos em um mesmo sistema nenhum equipamento capaz de controlar a temperatura, tempo de incubação, um sistema de supervisão e um diagnosticador automático.
Diante de tal fato, como objetivo desta pesquisa decidimos desenvolver um protótipo com todas estas características, apresentando ainda um sistema de supervisão com um diagnosticador automático capaz de controlar todo o processo de incubação, diagnóstico e validação da esterilização.
Para tornar possível o desenvolvimento desse equipamento, fizemos inicialmente uma pesquisa bibliográfica sobre os conceitos e procedimentos que contribuiriam para a concretização de nosso objetivo. Assim, fundamentamos esta pesquisa a partir dos pressupostos de Braga (2005), Saha (2010), Barrientos, at all (1997) que tratam das questões relacionadas à automação, à esterilização e seus sistemas.
2. ESTERILIZAÇÃO
Esterilização é um método para destruir os micro-organismos vivos, de forma que não seja possível perceber a sua existência ao realizar testes microbiológicos padrão.
O método de esterilização por vapor saturado é o mais indicado e utilizado, devido à maior segurança e confiabilidade que oferece, portanto esse é o processo que utilizaremos neste trabalho (LONGUI, RICHTMANN, 2003).
Esterilizações a vapor são realizadas em equipamentos denominados autoclaves, nas quais o processo passa por fases de remoção do ar, penetração do vapor e secagem. São constituídas essencialmente por uma porta, manômetro de pressão, câmara em aço inox, indicador de temperatura e
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válvula de segurança. A figura 1 ilustra a composição genérica de uma autoclave.
Figura 1. Diagrama da Autoclave Fonte: LUQUETA, 2008.
Para eficiência do processo é necessário que sejam tomados cuidados básicos antes, durante e após este método ser realizado. Um exemplo é a higienização dos materiais que serão esterilizados, durante o processo é preciso um operador disponível, atento à temperatura e tempo de exposição do material e após o ciclo realizado os cuidados na retirada de dentro do equipamento, para que o invólucro não fique úmido, e o processo comprometido.
Para comprovação e controle do processo de esterilização é indispensável à utilização de testes biológicos, estes são inseridos junto ao material a ser submetido na autoclave.
3. INDICADORES BIOLÓGICOS
Indicadores biológicos são ampolas fabricadas em tubos plásticos com tampa permeável ao vapor, acompanhado de uma fita em formato de rótulo, contendo uma população de bacilos denominados Geobacillus stearotermophilus (Figura 2). Estes, são altamente resistentes ao calor úmido e
A. Filtro de ar.
B. Válvula de segurança da câmara interna. C. Válvula de entrada de vapor na câmara interna.
D. Válvula de entrada de ar na câmara interna. E. Válvula de entrada de vapor na câmara externa.
F. Bulbo do dreno e câmara do sensor de temperatura.
G. Conjunto de vácuo (Bomba de vácuo) H. Câmara interna.
I. Câmara externa (camisa de aquecimento). J. Porta.
K. Manômetro da câmara externa. L. Mano vacuômetro da câmara interna. M. Entrada de validação.
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devido a essa característica, garantem a eficácia na eliminação de outros micro-organismos vivos menos resistentes. O bacilo utilizado procria a uma temperatura de 55ºC a 60ºC, e devido ao crescimento dessa população, a ampola muda de cor, indo do púrpura para o amarelo. Em testes biológicos, essas ampolas ficam incubadas por 48 horas, sob temperatura necessária para forçar a procriação dos bacilos.
Figura 2: Indicador Biológico Fonte: Cirúrgica Santa Cruz
3.1. INDICADORES BIOLÓGICOS COMO VALIDADORES DO PROCESSO DE ESTERILIZAÇÃO
No processo de validação da esterilização, ao termino do período de incubação, as ampolas são então avaliadas visualmente, e de acordo com a combinação de cores, obtêm-se o diagnóstico, que pode ser APROVADO ou REPROVADO. Para isso, são utilizadas 3 ampolas em cada ciclo de esterilização: duas acompanham o material no interior da autoclave – estas são denominadas ampolas de teste1 e teste2. Outra ampola é inserida somente na fase de incubação, para garantir que as demais estão em condições biológicas para validar o teste. Podem-se observar na figura 3 os possíveis resultados a serem obtidos.
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Figura 3: Tabela de Combinação de Cores
É possível concluir que o teste obteve sucesso somente quando as ampolas TESTE 1 e TESTE 2 permanecerem púrpura e a ampola CONTROLE estiver amarela, ou seja, as ampolas que acompanharam o material na autoclave foram corretamente esterilizadas, destruindo o bacilo e consequentemente não permitindo sua procriação, ao passo que a ampola não inserida na autoclave permitiu a procriação de bacilos, pois não foi submetida ao processo de esterilização.
3.2. MÉTODOS ATUAIS DE VALIDAÇÃO
Segundo a pesquisa de campo que realizamos em policlínicas, foi possível constatar que embora o procedimento atual de validação da esterilização seja de grande aceitação no ambiente hospitalar, ainda se trata de um procedimento em sua maioria humano, sendo assim suscetível a algumas falhas, tais como:
• O tempo de exposição à temperatura deve ser controlado na incubadora, se a ampola for exposta a mais ou a menos de 48 horas o diagnóstico não é considerado, pois se o tempo de incubação for inferior ao previsto não haverá tempo para a procriação do bacilo, e no caso de serem ultrapassadas as 48h a ampola assumirá a coloração marrom, perdendo portanto a possibilidade de validação do teste. Os equipamentos dominantes no mercado no máximo indicam visualmente através de um led que o período de 48 horas chegou ao fim. Como a maioria dos estabelecimentos clínicos: consultórios, policlínicas, clínicas odontológicas, etc. não funcionam aos finais de semanas, esse procedimento só pode ser executado até a quarta feira, para que o final da incubação seja feito até a sexta feira. Caso contrário, o fim do processo
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ocorrerá em dias que não há expediente, e o indicador biológico ficará na incubadora por um período maior que 48 horas.
• Após o processo de 48 horas, a ampola tende a mudar de cor. Esse processo é feito através de análise visual de um profissional do Centro Cirúrgico. No entanto, existe diferença entre os tons de cores, o que pode ocasionar uma margem que ocasionará erro no diagnóstico. Um operador pode considerar que a ampola passou no teste, outro operador não.
• Após a análise visual, apenas uma etiqueta que também muda de cor na ampola serve de comprovação. Não existe um documento mais elaborado para essa análise tão importante, portanto a margem de erro na comprovação dos resultados é bem ampla.
4. ESTRUTURA do ROBÔ CARTESIANO
Vindo ao encontro dos objetivos propostos neste projeto, um robô cartesiano foi construído em uma estrutura de alumínio com a função de movimentar as ampolas, assim como alojá-las na própria estrutura. Este robô é o responsável pela movimentação automática das ampolas alocadas.
Através de um software de supervisão que serve de interface entre o operador e a incubadora, o usuário tem acesso ao monitoramento de todo o processo. Todo o processo é controlado e gerenciado por um Controlador Programável, (equipamento utilizado em ambiente industrial). Uma lógica foi desenvolvida em linguagem ladder para distinção das duas cores dos indicadores biológicos, facilitando assim a inserção de um sensor de cor no protótipo.
A estrutura do robô (Figura 4) foi desenvolvida em uma base de madeira, com quatro laterais em alumínio, sendo três laterais fechadas e uma aberta facilitando assim o manuseio do operador.
Considerando todos os requisitos para implementação no projeto, chegou-se a conclusão de que o robô cartesiano aprechegou-senta o melhor custo benefício. De acordo com Saha (2010), classifica-se como cartesiano, ou retangular qualquer robô cujo braço se move de modo retilíneo, nas direções das coordenadas X, Y, e Z. Tem como ponto forte a estrutura rígida que garante estabilidade em suas operações.
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Uma das principais preocupações com o protótipo diz respeito à movimentação das ampolas no interior da estrutura do equipamento. Esta movimentação deve ser a mais precisa possível, pois é a responsável pela análise e descarte das ampolas.
A escolha do robô responsável pela movimentação das ampolas foi baseada nos critérios de Barrientos, at all (1997) e Ângulo (1989). Entre eles estão:
• Características geométricas: inclui o envelope de trabalho (área de atuação de um robô, espaço tridimensional que o robô é capaz de alcançar), os graus de liberdade, que são os números de parâmetros necessários conhecer para determinar seu posicionamento e precisão. (ÂNGULO, 1989).
• Característica cinemática: por se tratar de um equipamento que transporta pequenas e leves ampolas, a cinemática do robô é um dos principais fatores a serem considerados, tais como a velocidade e a aceleração dos braços.
• Características dinâmicas: a dinâmica inclui a força de agarre (pistão pneumático com ventosa acoplada) e a carga máxima (peso das ampolas). • Tipo de movimento e formas de comunicação: A movimentação do mecanismo é baseada em coordenadas X, Y e Z. Toda a estrutura é movimentada por dois motores de corrente contínua, trabalhando com 5V (coordenada X) e 8V (coordenada Y), um pistão pneumático(coordenada Z) provido de uma ventosa na extremidade da haste, e sensores de posicionamento tipo indutivo, capacitivo e fotoelétrico difuso. O controle dos acionamentos são executados via CP (Controlador Programável), comunicando-se com um Sistema Supervisório pelo protocolo de comunicação MODBUS.
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Figura 4: Robô Cartesiano
4.1. SENSORIAMENTO
Sensores são componentes que captam as informações necessárias no decorrer do processo automatizado e enviam ao circuito elétrico de controle (BONACORSO, NOLL, 1997).
Os sensores de proximidade são formados por um circuito eletrônico, apto a detectar a aproximação de elementos sólidos e líquidos.
Os sensores capacitivos e indutivos são sensores de proximidade, no entanto o sensor capacitivo reconhece a aproximação de diversos tipos de matérias, como plásticos, líquidos, papéis, metais, etc., o sensor indutivo detecta apenas a aproximação de metais. A vantagem desses tipos de sensores é que não há necessidade de contato físico com o objeto, prolongando assim a sua vida útil.
O sensor capacitivo funciona pelo princípio de variação da capacitância, ou seja, um campo eletrostático é gerado, quando o material se aproximar, ele detectará essa variação e atuará na saída.
Sensores indutivos têm como principio de funcionamento a detecção de metais, ocorrendo assim uma variação do campo magnético quando o material metálico se aproxima. O circuito eletrônico do sensor detecta a proximidade e transforma em sinal de saída.
O sensor fotoelétrico é do tipo remoto, pois possui um longo alcance, este é capaz de detectar matérias através de feixe de luz, tendo como princípio de funcionamento um emissor e um receptor de luz.
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O modelo utilizado em nosso trabalho é o sensor fotoelétrico difuso, por possuir um emissor e receptor lado a lado, num mesmo invólucro. Seu funcionamento ocorre quando o emissor emite um feixe de luz que reflete sobre o material que estiver na sua frente, voltando para o receptor, realizando assim a detecção.
Os sensores descritos acima formam o sistema de posicionamento do robô cartesiano. As informações obtidas pelos sensores são enviadas ao controlador programável, de modo que este saiba o real posicionamento para controle da movimentação.
4.2. CIRCUITO ELETROPNEUMÁTICO
A palavra pneumática tem origem grega, e significa respiração, vento. Em circuitos pneumáticos, a energia provém da compressão e armazenamento do ar (tarefa realizada por compressores) e mais tarde utilizada para acionamentos de pistões e outros atuadores.
Para composição do circuito eletropneumático foram utilizados neste trabalho elementos de controle, comando, trabalho e gerador de vácuo.
(BONACORSO, NOLL, 1997).
4.2.1. Elementos de Controle – o sinal para acionamento dos elementos de
comando provém da lógica inserida no controlador programável. De acordo com o status do processo, o CP envia os comandos para o sistema supervisório e para os elementos de comando.
4.2.2. Elementos de Comando – são formados por eletroválvulas do tipo 4 vias
e 2 posições, acionadas por 24V. Estas, energizadas, permitem o fluxo do ar comprimido para acionamento dos elementos de trabalho.
4.2.3. Elemento de Trabalho – constituído por um pistão de simples ação,
sendo este acionado por ar comprimido em apenas um sentido, esse tipo de pistão retorna ao seu estado normal através de uma força provocada por mola interna.
10 4.2.4. Elemento Gerador de Vácuo
Uma ventosa acoplada na extremidade da haste do pistão é acionada por uma válvula geradora de vácuo. O gerador de vácuo tem a função de criar o sistema de sucção, gerando vácuo por efeito Venturi. A figura 5 ilustra o circuito eletropneumático completo utilizado no trabalho.
4 2 1 3 Y1 4 2 1 3 Y2 +24V 0V Y1 Y2 Q0.7 Q0.6 12 3
Figura 5: Circuito Eletropneumático
5. INCUBADORA
Para forçar a procriação do bacilo, foi construída uma incubadora em aço carbono com pintura anticorrosiva. Esta incubadora permite que até 3 testes biológicos sejam realizados simultaneamente.
Como responsável pelo aquecimento foi instalada uma resistência de 127V x 850W. As resistências elétricas são constituídas de metal que permitem passagem de corrente, tendo como consequência o aquecimento ocasionado pelo efeito Joule.
A incubadora construída suportou a temperatura de trabalho, que variou entre 43°C e 90°C, mantendo uma média de 59,47°C. Para o controle da
1 2 4 3 1. Elemento de Controle 2. Elemento de Comando 3. Elemento de Trabalho 4. Elemento Gerador de Vácuo
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temperatura foi instalado um termostato capilar, ligado em série com a resistência, ajustado para manter a temperatura entre 55°C e 60°C. A função do termostato é impedir que a temperatura na incubadora ultrapasse o valor pré-estabelecido. A figura 6 mostra o gráfico de temperatura no interior da incubadora.
Figura 6: Gráfico de Temperatura da Incubadora
6. CONTROLADOR PROGRAMÁVEL (CP)
Os Controladores Lógicos Programáveis (CP) são equipamentos utilizados em ambientes industriais.
O primeiro CP surgiu devido às necessidades das indústrias automobilísticas. A primeira empresa a desenvolver foi a MODICON, que lançou o modelo MODICON 084. Até então a programação era feita através de relés e contatores. A nova tecnologia proporcionou diferentes operações em um único equipamento de fácil programação.
Com o passar do tempo aconteceram mudanças e melhorias nos CP’s e outras empresas passaram a produzi-lo. No entanto havia problemas de compatibilidade de comunicação entre os fabricantes. A primeira comunicação entre CP’s que surgiu foi denominada MODBUS, facilitando o controle de equipamentos que se encontravam distantes.
Tendo como objetivo estabelecer padrões para os Controladores Programáveis, foi desenvolvida a norma IEC 61131, sendo a International Electrotechnical Comission (IEC) uma organização internacional, não governamental, sem fins lucrativos, formada por representantes de fabricantes,
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fornecedores, distribuidores e usuários de CPs pertencentes aos Comitês Nacionais dos países membros de todo mundo. Com sua sede desde 1948 em Genebra a IEC possui diversos centros regionais, dentre eles, um na América Latina, na cidade de São Paulo, no Brasil(Fernandes, 2012). Atualmente é dividida em 8 partes, sendo a IEC 61131-5 referente à comunicação entre CP’s.
O Controlador Programável utilizado no projeto é do fabricante Schneider Electric, e o modelo é o TWDLCAE40DRF (Figura 7).
Devido à facilidade de programação, toda a lógica de controle do sistema foi programada em linguagem Ladder.
A comunicação entre o Sistema Supervisório e o CP é feita através do protocolo de comunicação MODBUS.
Figura 7: Controlador Programável (CP)
7. SISTEMA SUPERVISÓRIO
Segundo Da Silva (2005), os sistemas supervisórios permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações de um processo produtivo ou instalação física.
O software de supervisão, foi desenvolvido na plataforma da empresa Indusoft 4.4, foi projetado para servir de interface entre a incubação e o operador. Neste sistema, constam informações relevantes do status do processo, tais como: disponibilidade de alojamentos para as ampolas, último diagnóstico, botão virtual de emergência, e visualização das saídas ativas. Este
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software se comunica com o Controlador Programável através do protocolo de comunicação MODBUS, permitindo leitura e escrita.
8. CONSIDERAÇOES FINAIS
Foi construído o primeiro equipamento capaz de retirar os indicadores biológicos da incubadora após o tempo estabelecido, o mecanismo robótico respondeu de forma satisfatória, executando os movimentos necessários com precisão. O controlador programável se mostrou imune aos possíveis ruídos ocasionados pela rede elétrica e pelos dispositivos indutivos encontrados no próprio protótipo, como motores e válvulas. O circuito eletropneumático capturou e transportou as ampolas com segurança, não permitindo a queda das mesmas durante a execução dos movimentos e em seus posteriores descartes. O software de supervisão facilitou o trabalho do operador, garantindo a legitimidade do diagnóstico, informando em tempo real o status do processo e respondendo de forma positiva a análise para diagnóstico baseado em cor.
Em suma, o protótipo comprovou que é possível automatizar o processo de validação da esterilização, monitorando e atuando em diferentes etapas deste procedimento, permitindo padronização, segurança e precisão no diagnóstico.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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BONACORSO, Nelso Gauze. NOLL, Valdir. Automação Eletropneumática.
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Cefar em noticias, Geobacillus stearothermophilus, Ano VII - Ed. 37 - Abril
| Maio | Junho de 2010 - Circulação Trimestral (REVISTA): Disponível em: <http://www.cefar.com.br/download/JORNAL%2037final.pdf > Acesso em 20 de out. 2011.
CAPELLI, Alexandre. Controladores Lógicos Programáveis na Prática.
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LONGUI, LF. Sociedade Brasileira de Enfermeiros de Centro Cirúrgico e Sala de Recuperação Anestésica e Centro de Material e Esterilização.
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FERNANDES, C.L.M. Lógica Paraconsistente Aplicada em Sistema de Automação e Controle. 2012. Dissertação (Mestrado) – Universidade Santa
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