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EXATIDÃO DA POTÊNCIA ACÚSTICA DE EQUIPAMENTOS
COMERCIAIS DE ULTRASSOM FISIOTERAPÊUTICO
L. S. Lima*
,***, J. F. S. Costa Júnior*, R. M. Costa*
,**, T.P. Omena*
,***, M.A. von Krüger* e W.
C. A. Pereira*
* Programa de Engenharia Biomédica/ COPPE-UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil
** Instituto Nacional de Câncer/INCA III, Rio de Janeiro, Brasil
*** Curso de Fisioterapia – Faculdade de Medicina/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil
e-mail: wagner.coelho@ufrj.br luciodlsalustiano@hotmail.com
Abstract: Ultrasound Therapy is commonly used in Physiotherapy in order to generate physiological effects; however, there is not enough care to the effectiveness and safety given by this type of technology in clinical practice. The requirements of safety for physiotherapy ultrasound equipments are provided by the standard IEC 61689 (2007). The present work evaluated five ultrasound equipments manufactured in Brazil using the accuracy test. Then, evaluated the measurement system using an equipment that is within the range accepted by the standard, along five days. The results showed that 80% of ultrasound equipments analyzed were out of the recommended range (±20%). It was applied anova test to verify if the measurement system was equal along five days-testing. The null hypothesis was rejected.
Palavras-chave: ultrassom terapêutico, potência
acústica, calibração.
Introdução
O ultrassom terapêutico (UST) é uma das opções mais empregadas para diatermia em protocolos de tratamento de fisioterapia. Os efeitos térmicos do ultrassom (US) incluem: aumento do fluxo sanguíneo, redução do espasmo muscular, aumento da extensibilidade de fibras de colágeno e redução do processo inflamatório [1]. Para que ocorram estes efeitos é necessário que a temperatura no tecido alcance a faixa entre 40 e 45 ºC por, no mínimo, 5 minutos [2].
A fim de promover os efeitos desejáveis durante a terapia ultrassônica, é necessário garantir o funcionamento adequado do equipamento empregado. Sendo assim, é importante que este esteja devidamente calibrado. Os fabricantes de equipamentos de UST fornecem um valor nominal de área de radiação efetiva (ERA – Effective Radiation Area), assim como uma escala nominal de intensidades e/ou potências. Quando estes equipamentos não estão calibrados, pode-se verificar variações significativas em suas intensidades efetivas.
Alguns autores confirmaram a disparidade entre os valores nominais e medidos de potência emitida, ERA e
intensidade efetiva de equipamentos de ultrassom fisioterapêutico [3,4,5]. Tal variabilidade pode contribuir para a ausência ou redução dos benefícios pretendidos, gerando tratamentos ineficazes ou o agravamento da lesão. Temperaturas superiores à 45ºC podem levar a lesões teciduais por desnaturação de proteínas. Portanto, deve-se alertar aos profissionais desta área quanto ao uso indiscriminado desta tecnologia e informá-los à importância da calibração de equipamentos comumente usados em reabilitação [3]. Os efeitos terapêuticos estão relacionados com o protocolo de aplicação adotado e com a resposta de cada equipamento. Devido ao seu baixo custo e a facilidade de utilização (alguns já possuem protocolos de tratamento gravados em seu sistema), o UST tornou-se bastante usado pelos profissionais, porém não é observada uma preocupação quanto à efetividade e segurança da utilização deste aparelho na rotina clínica. De acordo com Guirro e Santos [6], isto se deve a fatores como a não-adoção de uma cultura metrológica pelos usuários e ao número restrito de equipamentos de calibração disponíveis.
Uma questão importante notada é a inexistência de infraestrutura para que se realizem testes e calibrações de rotina nos aparelhos de UST. Atualmente, quando o fisioterapeuta suspeita do mau funcionamento do equipamento, realiza um teste simples e subjetivo, denominado método da cavitação. Este, embora verifique o funcionamento do aparelho, não assegura que esteja em condições aceitáveis para produzir o efeito desejado e isso tem provocado certo ceticismo quanto à eficácia do UST.
As prescrições de segurança para equipamentos de ultrassom terapêutico são ditadas pela Norma internacional IEC 61689 [7], que é uma atualização da anterior, IEC 1689 [8]. A Norma relata métodos de medições e caracterização do feixe ultrassônico, além de definir os parâmetros para transdutores ultrassônicos aplicados à Fisioterapia. Um dos parâmetros definidos é a potência acústica, importante para a dosimetria do UST s, segundo recomendação da IEC 61689 [7], deve ser determinada empregando-se uma balança de força de radiação. O princípio de medição da força de radiação ocorre quando um alvo disposto no trajeto do
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feixe acústico experimenta uma força devido ao momento associado com a pressão exercida pelo feixe. Tal alvo pode ser do tipo absorvedor ou refletor. Alvos refletores são, geralmente, possuem formato cônico, composto por uma membrana metálica fina com uma camada de retaguarda preenchida de ar, que fornece uma aproximação acústica da interface água-ar ideal [9].De acordo com a IEC 61689 [7], para potência emitida e ERA, os valores de tolerância aceitáveis são ± 20%. O único parâmetro alterado se comparado à norma anterior IEC 1689 [8] foi a intensidade efetiva que era de ± 20% e aumentou para 30%.
De acordo com Shaw e Hodnett [9], a grande maioria dos equipamentos de UST apresentou erros de potência emitida maior do que ± 20%. Pye e Milford [10] verificaram que, dos 85 equipamentos de UST, 81% e 69% dos aparelhos apresentaram valores de potência acima da faixa de ±20% e ±30%, respectivamente. Guirro e Santos [6] avaliaram 8 modelos de equipamentos de UST, e foi constatado que 5 modelos apresentavam erros acima de ±30% em mais de uma intensidade medida, e somente 3 se encontravam dentro dos padrões ditados pela norma.
O objetivo deste trabalho foi realizar teste de exatidão da potência acústica emitida por 5 equipamentos de fisioterapia fabricados no Brasil e avaliar se estão dentro do limite estabelecido pela Norma. E, numa segunda etapa, buscou-se avaliar a repetitividade da potência acústica de saída utilizando um aparelho que se encontrava dentro da faixa de variação aceita pela norma, ao longo de 5 dias.
Materiais e Métodos
O método utilizado para aferição da potência ultrassônica emitida por equipamentos de fisioterapia, para verificar se os valores da mesma estavam dentro da faixa de aceitação recomendada pela Norma e avaliação da repetitividade da medição da potência acústica estão descritos a seguir.
Avaliação da potência acústica dos equipamentos:
Foi empregada uma balança de força de radiação (UPM-DT-1; Ohmic Instruments, Easton, MD, EUA) para se medir diretamente a potência de saída dos 5 equipamentos de UST (A, B, C, D e E) configurados para operar no modo contínuo e com frequências centrais de 1 e 3 MHz. O equipamento E só opera com frequência central de 1 MHz. O transdutor foi fixado em um suporte de modo que a superfície de irradiação estivesse imersa em água destilada, alinhado com o centro do cone metálico da balança de radiação e a uma distância de 1 cm do cone. O sistema foi montado em uma superfície estável, em local isolado de correntes de ar, com temperatura ambiente de 23ºC ± 2ºC. A Figura 1 ilustra a montagem experimental. Durante todas as medições foi garantida a ausência de bolhas entre o transdutor e o alvo.
A potência emitida foi medida em toda a faixa nominal dos equipamentos. Para os equipamentos A, B e C: 0,50, 1,00, 1,50, 2,00, 2,50, 3,00, 3,50, 4,00, 4,50, 5,00, 5,50, 6,00, 6,50, 7,00, 7,50, 8,00, 8,50, 9,00, 9,50 e 10,00 W. Para o equipamento D: 0,30, 0,70, 1,00, 1,40, 1,70, 2,10, 2,40, 2,80, 3,10, 3,50, 3,80, 4,20, 4,50, 4,90, 5,20, 5,60, 5,90, 6,30, 6,60 e 7,00 W. E para, o equipamento E: 0,50, 1,00, 2,00, 3,00, 4,00, 5,00, 6,00 e 7,00 W.
Figura 1: Arranjo experimental para obtenção da potência de saída dos equipamentos de UST.
Foi realizado o teste de exatidão [11] para cálculo do erro entre a potência medida e a nominal (expresso em porcentagem), conforme a Equação 1:
100 min min al No al No medida P P P erro (1)
Equipamentos com porcentagem de erro acima de ± 20% foram considerados fora dos limites de tolerância, segundo a Norma IEC 61689 [7].
Avaliação da repetitividade da medição da potência acústica: Foram realizadas 5 medições para
cada valor de potência nominal do equipamento E, ao longo de 5 dias, empregando-se toda a faixa da potência nominal disponível. Efetuou-se o teste de exatidão da potência emitida. Posteriormente, realizou-se um teste de repetitividade deste equipamento. Para isso, foi empregada uma análise de variância (ANOVA para medidas repetidas) com nível de significância p < 0,01. Isso permitiu verificar a variação de um determinado valor de potência de saída, tanto para um mesmo dia quanto para 5 dias consecutivos. Sendo assim, considerou-se como hipótese nula (H0) a igualdade das
médias dos valores de potências obtidas, tanto no mesmo dia quanto nos 5 dias. Todas as medições foram realizadas pelo mesmo operador.
Resultados
A Tabela 1 exibe os valores do erro (%) obtidos com o teste de exatidão apresentados pelos equipamentos A, B, C e E. Não foi possível calcular a potência de saída do equipamento B quando se empregou o transdutor com frequência central de 3 MHz, pois a potência acústica oscilava de zero a um valor máximo, e não
Termômetro Transdutor US
Balança de Radiação
Equipamento US
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estabilizava(indicando claramente um mal funcionamento), sendo assim, seus dados nesta frequência, foram desprezados.O erro (%) do teste de exatidão da potência do equipamento D pode ser visto na Tabela 2. Foram usados os transdutores com frequência central de 1 e 3 MHz.
Tabela 1: Resultado do teste de exatidão da potência de saída dos equipamentos A, B, C e E (em cinza, as linhas onde os erros estão maiores do que o valor da Norma).
Potência Nominal
(W)
Equipamento A Equipamento B Equipamento C Equipamento E Erro (%) 1 MHz Erro (%) 3 MHz Erro (%) 1 MHz Erro (%) 1 MHz Erro (%) 3 MHz Erro (%) 1 MHz 0,5 28,00 32,00 12,00 4,00 4,00 0,00 1,0 26,00 28,00 6,00 0,00 0,00 4,00 1,5 20,00 20,00 2,67 16,00 1,33 - 2,0 20,00 18,00 6,00 15,00 3,00 8,00 2,5 16,80 19,20 8,80 13,60 3,20 - 3,0 18,00 17,33 8,67 20,00 4,00 4,00 3,5 16,57 13,14 11,43 19,43 5,14 - 4,0 17,50 11,00 10,50 18,50 5,50 0,50 4,5 17,33 9,78 11,56 19,56 5,78 - 5,0 19,60 8,00 13,60 22,00 6,80 2,40 5,5 18,18 9,82 12,73 21,82 7,27 - 6,0 19,67 7,67 15,33 22,00 6,00 1,33 6,5 18,46 7,38 14,15 21,85 7,38 - 7,0 18,57 5,71 15,14 21,14 6,00 0,29 7,5 18,40 6,67 16,53 20,00 8,27 - 8,0 19,00 5,75 15,50 19,50 6,00 - 8,5 19,06 4,24 15,29 18,59 7,76 - 9,0 18,89 4,89 14,89 17,56 8,00 - 9,5 19,37 4,21 14,74 19,58 9,26 - 10,0 18,00 4,80 14,80 18,40 10,60 -
Tabela 2: Resultado do teste de exatidão da potência de saída do equipamento D (em cinza, a linha onde os erros estão maiores do que o valor da Norma).
Potência Nominal (W) Erro (%) 1 MHz Erro (%) 3 MHz 0,30 46,67 46,67 0,70 5,71 2,86 1,00 4,00 0,00 1,40 1,43 7,14 1,70 1,18 4,71 2,10 2,86 6,67 2,40 0,00 3,33 2,80 0,71 2,86 3,10 0,65 0,65 3,50 5,14 1,14 3,80 5,26 2,11 4,20 2,86 4,76 4,50 4,00 4,00 4,90 2,04 5,31 5,20 3,46 5,00 5,60 2,86 5,71 5,90 3,39 5,42 6,30 3,17 5,71 6,60 4,24 4,85 7,00 0,29 6,00
A Tabela 3 apresenta os resultados do teste de exatidão do equipamento E ao longo de 5 dias consecutivos. Foi calculada a média dos 5 valores de potências medidas para uma determinada potência nominal e em um único dia. Posteriormente, fez-se a média dos valores médios obtidos ao longo dos 5 dias, para cada potência nominal.
Tabela 3: Resultado do teste de exatidão da potência de saída do equipamento E ao longo de 5 dias.
Potência Nominal (W) Erro (%) 1 MHz 0,5 13,84 1,0 8,34 2,0 8,33 3,0 2,63 4,0 2,04 5,0 4,20 6,0 4,22 7,0 2,14
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Para o teste estatístico realizado (ANOVA), com o nível de significância escolhido (p < 0,01), o que implica um Fcrítico de 4,77, foi rejeitada a hipótese nula para avaliar os resultados obtidos durante 5 dias em todas as potências. Porém apenas duas hipóteses nulas (H0) foram rejeitadas quando a avaliação foi feita dentrodo mesmo grupo (dia), sendo elas para as potências de 6 e 7 W.
O resultado mais favorável do teste estatístico (ANOVA) foi para a potência de 0,5 W. A Tabela 4 exibe a fonte de variância, a soma dos quadrados (S.Q.), os graus de liberdade (g.l.), a variância da média dos quadrados (V.M.Q.) e a razão F.
Tabela 4: Análise de Variância (ANOVA) para potência de 0,5 W do Equipamento E. S.Q. (soma dos quadrados), g.l. (graus de liberdade), V.M.Q. (variância da média dos quadrados) e razão F.
Fonte da
Variância S.Q. g.l. V.M.Q. F
Entre Dias 1,48E-3 4 3,70E-4 31,06 Entre Medidas 5,92E-5 4 1,48E-5 1,24
Interação 1,90E-4 16 1,19E-5
Total 1,73E-3 24
Discussão
Dos cinco aparelhos testados, quatro encontraram-se fora da faixa recomendada (± 20%) pela IEC, ou seja, 80 % dos equipamentos, sendo eles: A (0,5 e 1,0 W nas frequências 1 e 3 MHz), D (0,3 W a 1 e 3 MHz), C (5,0, 5,5, 6,0, 6,5 e 7,0 W a 1 MHz) e o equipamento B apresentou problemas quando operava com frequência de 3 MHz e modo contínuo, impossibilitando realizar-se um procedimento de aferição. Os resultados estão de acordo com um estudo realizado em 1994 por Pye e Milford [10], que obtiveram valores de potência acima da faixa de ± 20% em 81% dos aparelhos analisados.
Os equipamentos utilizados neste estudo foram fa-bricados entre 2 a 4 anos, e os resultados encontrados agora, são semelhantes à de estudos feitos há 20 a 30 anos, com porcentagem de erro maior que 70 % [12,13,14].
Foi possível verificar que, para um mesmo equipamento, a porcentagem de erro não é constante, varia de acordo com a potência selecionada no equipamento de ultrassom, e, além disso, não segue um padrão linear.
Dentre os equipamentos avaliados, A e D apresentaram maior erro para as potências nominais mais baixas. O equipamento A, na potência de 0,5 W obteve erro de 28% a 1 MHz e 32% a 3 MHz, e em 1,0W obteve erro de 26% a 1 MHz e 28% a 3 MHz. O equipamento D, na potência 0,3 W apresentou erro de 46,67% nas frequências 1 e 3MHz. Como pode-se notar, tais erros ficaram acima da faixa recomendada pela Norma.
O teste de análise de variância para verificar a influência da medição da potência em dias diferentes foi realizado apenas no equipamento E, pois era o único que se encontrava dentro da faixa de erro recomendada pela norma IEC 61689 [7] de ± 20%. Foi rejeitada a hipótese nula para todas as potências, quando avaliou-se dias distintos (p < 0,01).
Apesar do resultado para potência nominal 0,5 W, do equipamento E, ter apresentado elevado erro, se comparado com as outras potências nominais, apresentou menor desvio-padrão, por isso foi a que exibiu melhor resultado estatístico. Nota-se da Tabela 4, que deve-se rejeitar fortemente a hipótese nula para os 5 dias, uma vez que o F é aproximadamente 6,5 vezes maior que o Fcrítico. Apesar do equipamento E ter apresentado resultados favoráveis, em relação ao teste de exatidão, ele não exibiu uma boa repetitividade.
Embora tenha sido aplicado o mesmo protocolo de medição, com o mesmo operador, pode ter ocorrido variabilidade do equipamento de ultrassom, da balança de força, ou ainda, na manipulação, montagem dos instrumentos, variabilidade da temperatura ambiente, ruídos externos, entre outros.
Conclusão
Neste estudo, foi possível verificar que 4 dos 5 dos equipamentos apresentaram-se fora da faixa recomendada pela Norma IEC 61689 [7]. Tais equipamentos se encontram no laboratório e não são utilizados para prática clínica, e, portanto, são pouco manipulados e relativamente novos (de 2 a 4 anos).
É necessário que sejam implementadas medidas de calibração de forma rotineira, tanto por parte dos fabricantes,para equipamentos novos , quanto para os profissionais de saúde. É também importante que mais laboratórios se habilitem a fazer tipo de medição.
Como passos futuros, pretende-se avaliar maior número de equipamentos de ultrassom aplicados à Fisioterapia, novos e usados na prática clínica. Além disso, pretende-se incluir o valor da incerteza deste processo de medição, melhorar o sistema de medição de potência acústica, como por exemplo, utilizando um alvo absorvedor, com intuito de melhorar a repetitividade dos resultados, e implementar um sistema de transferência direta de dados para o microcomputador.
Agradecimentos
À CAPES, FAPERJ e CNPq pelo apoio financeiro, e à empresa Quark Produtos Médicos.
Referências
[1] Speed, C. A. (2001), “Therapeutic ultrasound in soft tissue lesions", Rheumatology, v. 40, p. 1331-1336.Prentice, W. E., (2002), In: Técnicas de reabilitação em medicina esportiva, Ed.: Manole.
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[2] Merrick, M.A., Bernard, K.D., Devor, S.T., et al.(2003), “Identical 3-MHz ultrasound treatments with different devices produce different intramuscular temperatures”, Journal of Orthopaedic & Sports Physical Therapy, v. 33, n. 7, p. 379-385.
[3] Johns, L.D., Demchak, T.J., Straub, S.J., et al. (2007), “The role of quantitative schlieren assessment of physiotherapy ultrasound fields in describing variations between tissue heating rates of different transducers” Ultrasound in Medicine and Biology, v.33, n. x, p. 1-7.
[4] Straub, S.J., Johns, L.D. e Howard, S.M. (2008), “Variability in effective radiation area at 1 MHz affects ultrasound treatment intensity”, Physical Therapy, v.88, n.1, p. 50-57.
[5] Ishikawa, N. M., Alvarenga, A. V., Paes, L. F. C., Pereira, W. C. A., Machado, J. C., (2000), “Avaliação de equipamentos de ultra-som para fisioterapia segundo a Norma NBR IEC 1689 da Associação Brasileira de Normas Técnicas”, In: Anais do XVII Congresso de Engenharia Biomédica, Florianópolis, v. 1, p. 326-330.
[6] Guirro, R., Santos, S.C.B. (2002), “Evaluation of the acoustic intensity of new ultrasound therapy equipment”, Ultrasonics, v.39, p. 553-557.
[7] IEC 61689 (2007), “Ultrasonics – Physiotherapy systems – Field specifications and methods of measurement in the frequency range 0,5 MHz to 5 MHz”. IEC – The International Electrotechnical Commission.
[8] IEC 1689 (1996), “Ultrasonics - Physiotherapy systems – Performance requirements and methods of measurement in the frequency range 0.5 MHz to 5 MHz.”, IEC- The International Electrotechnical Commission, 2 ed., British Standard.
[9] Shaw, A., Hodnett, M. (2008), “Calibration and measurement issues for therapeutic ultrasound”, Utrasonics, v. 48, p. 234-252.
[10] Pye, S.D., Milford, C. (1994), “The performance of ultrasound physiotherapy machines in Lothian Re-gion, Scotland, 1992”, Ultrasound in Medicine and Biology, v. 20, n. 4, p. 347-359.
[11] Ferrari, C.B. (2008), Avaliação do desempenho de equipamentos de ultra-som terapêutico, Dissertação de Mestrado, Universidade Metodista de Piracicaba, Piracicaba, 113p.
[12] Stewart, H.F., et al. (1974), “Survey of use and performance of ultrasonic therapy equipment in Pi-nellas county, Florida”. Physical Therapy, v.54, n.7, p.707-714.
[13] Repacholi, M.H., Benwell, D. A. (1979), “Using surveys of ultrasound therapy devices to draft per-formance standards”, Health Physics, v. 36, n.36, p.679- 686.
[14] Snow, C.J. (1982), “Ultrasound therapy units in Manitoba and northwestern Ontario: performance evaluation”, Physiotherapy Canada v. 34, n. 4, p.185-189.
