UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA BIOMÉDICA
Curso de especialização em Engenharia Clínica
Medição e Transdução Grandezas Biomédicas
Mensuração da concentração de gases e de íons dissolvidos no sangue
Profa. Vera Lúcia da Silveira Nantes Button
2009
Introdução
Oximetria: medição da concentração de oxigênio no sangue realizada com o oxímetro.
Realizada geralmente no Centro Cirúrgico e na UTI, de forma contínua e não-invasiva, com a colocação de um eletrodo na ponta do dedo ou no lobo da orelha (oximetria periférica) Capnografia: medição feita com o capnógrafo da concentração do gás carbônico (CO2) no ar
que sai dos pulmões a cada expiração.
Medição geralmente realizada em pacientes sob ventilação artificial
A tomada de ar é feita no tubo ventilatório que liga o paciente ao ventilador mecânico.
Gasometria: é um exame feito a partir de uma amostra de sangue, que pode ser coletada em artéria (gasometria arterial) ou veia (gasometria venosa)
central (próxima do coração - catéter de Swan-Ganz ou catéter central) ou periférica (nos membros)
usado para monitorar pacientes criticamente doentes e para monitorar a eficácia da terapia
Na análise da gasometria arterial são verificados rotineiramente:
a pressão parcial de oxigênio e de gás carbônico e o pH: são sempre medidos por meio de eletrodos, que constituem o meio mais preciso de análise
os níveis de bicarbonato, o excesso de base e a saturação da oxihemoglobina: são calculados a partir daqueles elementos medidos
a gasometria do sangue é obtida para avaliar
a adequação da oxigenação e da ventilação através dos valores
da pressão parcial de gás carbônico e oxigênio (paO2, paCO2) dissolvidos no sangue
da saturação da oxi-hemoglobina (SaO2), ou seja, quanto de hemoglobina está ligada ou não ao oxigênio
o estado ácido-básico através dos componentes respiratórios e não respiratórios do pH do sangue (que indicará a acidez ou alcalinidade do mesmo)
do valor do bicarbonato (HCO3-), uma importante substância do sistema de regulação da acidez e alcalinidade do nosso corpo
a concentração de íons orgânicos dissolvidos no sangue entre outros
O Sangue e transporte de O2 e de CO2 no sangue
50 a 60% do volume do sangue é formado por um líquido extra celular chamado plasma.
O restante do sangue é formado por elementos suspensos (40 a 50%) que consistem em plaquetas, leucócitos ou células brancas, e eritrócitos ou células vermelhas
90% do plasma é água e atua como solvente para uma grande variedade de substâncias, entre elas gses dissolvidos (O2, CO2, N2), nutrientes orgânicos (glucose, gorduras), proteínas plasmáticas, íons inorgânicos, restos nitrogenosos (uréia) e hormônios
O oxigênio difunde-se do ar alveolar para o sangue porque o sangue venoso que flui pelos pulmões tem uma pO2 ≅ 40mmHg (pressão parcial de gás oxigênio) inferior à do ar alveolar (pAO2 ≅ 102mmHg). A difusão do oxigênio para o sangue venoso converte-o em sangue arterial (paO2 ≅ 95mmHg).
O oxigênio é transportado no sangue arterial de duas maneiras: como gás dissolvido no plasma e na forma conjugada com a hemoglobina presente nos eritrócitos (glóbulos
vermelhos, hemácias). Este sangue flui através de tecidos em que a pO2 é inferior à do sangue, e o oxigênio difunde-se do sangue para os tecidos.
A perda de oxigênio pelo sangue arterial e o ganho simultâneo de dióxido de carbono,
convertem o sangue arterial em venoso. O sangue venoso é coletado pelas veias, levado até o lado direito do coração e novamente circula pelos pulmões.
Um transportador de O2 é necessário no sangue porque o O2 não é suficientemente solúvel no plasma sangüíneo para atender as necessidades do corpo: a 38°C, 1l de plasma dissolve apenas 2,3 ml de O2, enquanto que a hemoglobina de 1l de sangue é capaz de transportar cerca de 87 vezes mais O2.
O CO2 é muito mais solúvel no sangue que o O2 e seu índice de difusão também é maior. O transporte de CO2 no sangue ocorre sob a forma dissolvida, combinado com a hemoglobina e sob a forma de bicarbonato.
Há um fluxo diário muito intenso de oxigênio, dióxido de carbono e íon hidrogênio por todo o nosso corpo. A maior parte do CO2 não está dissolvida no sangue, mas sim combinada com a água para formar o ácido carbônico H2CO3 que, por sua vez, se dissocia formando o íon hidrogênio H+:
CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ HCO3- + H+
Parte do CO2 é transportado pela Hb sob a forma de carbamato em ligações reversíveis.
Apesar das grandes variações na produção de CO2, durante uma atividade física, por exemplo, o pH sangüíneo é praticamente o mesmo: a concentração de íons hidrogênio no plasma permanece na faixa nanomolar: 36-43 nmol/l ou pH: 7,35 a 7,45
Gasometria
A amostra analisada pode ser de sangue arterial ou venoso. É importante saber qual a natureza da amostra para uma interpretação correta dos resultados.
Quando se está interessado em uma avaliação do desempenho pulmonar, o sangue arterial deve ser usado, pois esta amostra informará a respeito da hematose (processo químico de troca gasosa que ocorre nos alvéolos) e permitirá o cálculo do conteúdo de oxigênio que está sendo oferecido aos tecidos. Se o objetivo for avaliar apenas parâmetros metabólicos, a gasometria venosa pode ser usada.
Parâmetros gasométricos normais do sangue arterial
Parâmetros Eletrólitos mmol/l Metabólitos mg/100ml
pO2 70-100
mmHg Na+ 135-155 Glicose 70-110
pCO2 35-45
mmHg K+ 3,6-5,5 Lactato 3-7
pH 7,31-7,45 Ca2+ 1,14-1,31 Creatinina 0,9-1,4
Hematócrito 40-54% Cl- 98-109 Uréia 8-26
Hg total 13-18
g/100ml
Saturação de O2 95-100%
Parâmetros gasométricos do sangue arterial e do sangue venoso
Parâmetro Sangue arterial Sangue venoso
pH 7.35 a 7.45 0.05 unidades menor
PaCO2 35 a 45 mmHg 6 mmHg maior
PaO2 70 a 100 mmHg ~ 50% (35 a 50 mmHg)
paO2: pressão parcial arterial de oxigênio, medida: pressão parcial exercida no eletrodo de medição pelas moléculas de oxigênio livres dissolvidas no plasma
SaO2 (calculada): saturação da oxi-hemoglobina
– hemoglobina: molécula que transporta o oxigênio pelo sangue até as células
– cada hemoglobina possui 4 sítios de Fe2+ para ligação com moléculas de oxigênio – a porcentagem de sítios ligados a moléculas de O2 é a saturação de oxigênio
paCO2: pressão parcial do gás carbônico mede a fração dissolvida não combinada do CO2
total, dependendo basicamente da ventilação pulmonar.
– Valor normal: 35 a 45 mmHg. Ideal: 40 mmHg.
– No RN < 1500g, sob ventilação mecânica, deve-se tolerar paCO2 até 55 mmHg (hipercapnia permissiva neonatal). Níveis associados de paCO2 abaixo de 40 mmHg estão associados com aumento da doença pulmonar crônica em RN.
pH: em nosso organismo, a atividade dos íons H+ varia de 0,13, no suco gástrico mais ácido, a cerca de 0,00000003 ou 3.10-8 no suco pancreático mais alcalino e para uma representação prática dessas concentrações utiliza-se a o logaritmo negativo de base 10 da atividade
hidrogeniônica da solução
pH = log 1/[H+] ou –log [H+]
– Quanto mais alta for a concentração hidrogeniônica, mais baixo é o pH (acidose)
% ] 100 [
]
[ 2
2 x
Hb SaO HbO
total
=
– alcalose = pH alto. O pH isoladamente apenas quantifica o fenômeno distúrbio ácido- base, não qualificando o mesmo
– A concentração normal de hidrogênio (H+) no fluido extracelular é continuamente ameaçada pela carga de íons H+ liberada pelo metabolismo normal:
CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ HCO3- + H+
– Essa carga ácida deve ser neutralizada com o objetivo de manter o pH em equilíbrio e esse trabalho é feito pela ação dos tampões do organismo, regulação respiratória do pH e regulação renal.
Bicarbonato: o valor da quantidade de bicarbonato no sangue não é medido diretamente e sim calculado através da equação de Henderson-Hasselbach, usando os valores de pH e pressão parcial de gás carbônico (paCO2) medidos
– onde: pK = taxa de HCO3- (bicarbonato) no plasma e 0,03mmHg ou 0,23kPa = índice de solubilidade do CO2 na água
– Os distúrbios metabólicos alteram o numerador da equação, através de diminuição (acidose) ou aumento (alcalose) no cálculo da concentração de bicarbonato.
– Os distúrbios respiratórios interferem com o denominador da equação, elevando (acidose) ou reduzindo (alcalose) a paCO2.
Excesso de Base (BE): expressa o quanto em bases deve ser acrescentado (BE NEGATIVO, ou déficit de base) ou subtraído (BE POSITIVO ou excesso de base) para corrigir um
desequilíbrio de pH do organismo.
– Tem um valor de 0(zero) em um pH de 7,4. VALOR NORMAL: -2,5 a + 2,5 (nos RN, se aceita níveis até – 8mEq/l)
Medição do pH
– A medição potenciométrica ou eletrométrica do pH requer um eletrodo indicador e um eletrodo de referência, cada eletrodo constituindo uma meia-célula. A meia-célula que corresponde ao eletrodo de referência gera uma voltagem constante e que não depende do pH.
+
=
−
03 , log 0
2 3
x paCO pk HCO
pH
Figura extraída de Medical Instrumentation – Application and Design, John D. Webster editor, third edition, 1998.
– A atividade dos íons hidrogênio em uma solução é medida eletrometricamente. Se a solução desconhecida é separada de uma solução padrão, que possua atividade hidrogeniônica conhecida, por uma membrana permeável unicamente aos íons hidrogênio, o potencial elétrico E da membrana é dado pela equação:
– onde R é a constante dos gases, T é a temperatura absoluta, n é a valência (que no caso é um) e F é a Constante de Faraday
Eletrodos de referência
– Aos eletrodos de hidrogênio, de prata/cloreto de prata e de calomel, operando sob determinadas condições, é atribuído potencial de eletrodo constante.
– Eletrodo de Referência ideal
Reversível e obedece à equação de Nernst;
Exibe potencial constante com o tempo;
Retorna ao seu potencial original após ser submetido a pequenas correntes Exibe baixa histerese com variações de temperatura
– Eletrodo de referência de hidrogênio
Potencial de eletrodo = zero para toda temperatura Reprodutibilidade
O eletrodo de platina platinizado está sujeito à ação de agentes oxidantes que reduzem a concentração do hidrogênio molecular nas proximidades do eletrodo e, assim, alterando o potencial de eletrodo
Requer o uso de gás hidrogênio puro e raramente é usado em procedimentos rotineiros. Usado em calibrações
Eletrodo de platina no qual foi eletrodepositada platina negra, imerso em ácido
Se a atividade do íon hidrogênio for 1mol/l (pH=0) e gás hidrogênio for borbulhado na solução de modo que pH2 (pressão parcial do hidrogênio) for 1atm, o potencial do eletrodo é definido como zero em qualquer temperatura:
2H+ + 2e- → H2(g) e E0 = 0,000 V
– Eletrodo de referência de prata/cloreto de prata Ag/AgCl
Podem ser utilizados em Temp> 60oC
Reprodutibilidade e confiabilidade comparáveis às do eletrodo de hidrogênio Tensão de off set menor que 50µV
Em alguns tecidos biológicos podem ocorrer reações que chegam a inutilizar o eletrodo.
Eletrodo de referência usado quase que exclusivamente para determinação do pH em processos industriais.
– Eletrodo de referência de calomel ou calomelano
Eletrodo formado por uma haste de platina envolta em pasta de mercúrio em contato com solução saturada de Hg2Cl2 (cloreto mercuroso ou calomelano) e que contém uma quantidade conhecida de KCl
eletrodo estável, recomendado para medição do pH em laboratórios clínicos, em soluções contendo proteínas e similares e em soluções contendo metais pesados que reagem com o sistema Ag/AgCl.
O eletrodo calomelano produz uma referência muito boa à temperatura constante, mas apresenta menos estabilidade com mudanças de temperatura que os eletrodos de prata /cloreto de prata e acima de 60°C ficam avariados devido à decomposição térmica do cloreto de mercúrio (calomelano).
Eletrólito solução de KCl saturada c/ AgCl
AgAgCl(sat.), KCl (x mol/l)
AgCl(s) + e- Ag(s) + Cl-
(
−)
− ⋅(
−)
+
= oAg Ag+ Cl
F T R F
T E R
E . ln1,78.10 10 lnα
/
Onde: 1,78.10-10 = produto solubilidade αAg+ . αCl- = cte a uma dada temperatura.
Fazendo uso de valores tabelados:
O eletrodo de Ag/AgCl obedece a equação de Nernst para uma ampla faixa de valores da atividade do Cl-: Ag/AgCl/KCl Sat.: 197mV (a 25ºC).
(
−)
−
= Cl
E 0,224 0,0256ln
α
Hg2Cl2(s) + 2e- ⇔ Hg22+(l) + 2Cl-
O eletrodo calomelano pode ser dos tipos um décimo normal (0,1N), normal (1N) e saturado com relação à concentração do eletrólito cloreto de potássio, aos quais correspondem potenciais padrões distintos a 25°C (- 0,334, - 0,281 e - 0,242 V), sendo o tipo saturado o mais comumente usado.
solubilidade
Ks = (α(Cl- ))2 . α (Hg22+) ≈ 1.10-18 a 25°C Equação de Nernst:
(
−)
−
= Cl
F E 2RTlnα
268 , 0
– Eletrodo sensível ao pH: eletrodo de vidro
A membrana do eletrodo de vidro separa dois líquidos de diferentes concentrações de íons H+. Desenvolve-se entre os lados da membrana um potencial proporcional à diferença de pH entre os dois líquidos, que é medido em relação a um potencial de referência (eletrodo de calomelano saturado ou Ag/AgCl).
Membrana: vidro com seletividade ao íon H+ (72% SiO2, 22% Na2O, 6% CaO A camada gelatinosa extremamente fina permite a penetração dos íons
H+ (trocados com íons sódio da membrana) e o aparecimento de uma diferença de potencial que é função linear do pH.
A diferença de potencial aparece quando soluções de pH diferentes são colocadas em lados opostos de uma membrana semipermeável O potencial observado Eobs no eletrodo de vidro depende da atividade
do íon hidrogênio na solução (sangue) e da atividade do íon hidrogênio no eletrólito padrão:
Eobs = k + 0,059 log [H+sol+ / H+ele]
Eobs = K + 0,059 log [H+sol] ou Eobs = K - 0,059 pH A meia-célula correspondendo ao
eletrodo sensível ao H+ é constituída por um eletrodo de vidro. O elemento sensor do eletrodo, situado na extremidade do bulbo, é constituído por uma membrana de vidro especial. Esse vidro apresenta uma propriedade singular que o distingue dos vidros comuns: o contato com uma solução aquosa provoca uma modificação superficial da estrutura, formando uma camada de gel, externa, seletiva de íon hidrogênio
Eletrólito: solução de
concentração fixa (0,1 ou 1 M) de ácido clorídrico (HCl) ou uma solução tamponada de cloreto
A representação gráfica da diferença de potencial, em função do valor do pH, é uma reta cuja inclinação depende da temperatura.
A 25º C, o eletrodo de vidro gera uma tensão de 59 mV para cada unidade de pH.
A uma temperatura de 50º C, a voltagem gerada é de 65 mV e a 100º C ela vale 74 mV.
– Eletrodo de vidro combinado
– Medição de eletrólitos
Eletrodos semelhantes ao eletrodo de pH
Vidros de composições diferentes são permeáveis a diferentes íons
Íon analisado Composição
H+ 72% SiO2, 22% Na2O, 6% CaO
Li+ 60% SiO2, 25% Al2O3, 15% Li2O
Na+ 71% SiO2, 18% Al2O3, 11% Na2O
K+ 69% SiO2, 4% Al2O3, 27% Na2O
Ca2+ 3% SiO2, 6% Al2O3, 6% Na2O, 1% CaO, 16% Fe2O3, 67% P2O5
Eletrodos de Clark para medir paO2
– Método amperométrico para medir paO2 e metabólitos – Consiste em:
um eletrodo de Pt (A) catodo recoberto com vidro e apenas uma área de 20 mm de diâmetro exposta
um eletrodo de referência Ag/AgCl (B) anodo eletrólito meio-saturado de KCl (C)
membrana de prolipropileno ou Teflon (D) através da qual o O2 difunde anel de borracha para manter a membrana no lugar (E).
A utilização de um par de eletrodos sempre se impõe para a determinação de íons específicos e de pH em soluções viscosas e suspensões coloidais
O eletrodo combinado é um eletrodo compacto no qual o eletrodo de vidro acha-se envolvido pelo eletrodo de referência (de prata/cloreto de prata ou calomelano)
Têm um sensor de temperatura integrado útil na compensação automática de leituras de
temperatura de diferentes amostras.
fonte de tensão (F) 600 a 700mV
Amperímetro (G) mede a corrente fluindo entre anodo e catodo que é proporcional à concentração de O2.
Diagrama esquemático
– Pressão parcial de O2: pressão necessária para difundir o oxigênio através da
membrana semipermeável devido à pressão diferencial. Não há contato elétrico entre o meio onde se quer medir a pressão e o catodo metálico
– A membrana e não um eletrólito controla a difusão de O2
– No catodo de platina:
O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- (redução do O2) – No anodo de prata:
4Ag → 4Ag+ + 4e- (oxidação da prata) – Número de elétrons é proporcional à concentração de O2 dissolvido
– A corrente lida no amperímetro varia com a tensão aplicada e com a concentração de O2
– As reações são muito sensíveis à temperatura e para manter a relação de linearidade entre a concentração de oxigênio e a corrente medida, a temperatura do eletrodo deve ser controlada dentro de +/-0,1ºC.
– Este tipo de eletrodo é usado nos analisadores de gases dissolvidos no sangue em laboratórios clínicos ou em UTIs.
– Eletrodo de oxigênio:
Resposta de 99% em 25s
Figura extraída de Medical Instrumentation – Application and Design, John D. Webster editor, third edition, 1998.
Sensibilidade: 2.10-11A/mmHgO2
Linearidade de 1%
Insensível a CO2 – Eletrodo de oxigênio de catéter:
Tempo de resposta depende de do diâmetro do eletrodo, da espessura da membrana e do coeficiente de difusão da membrana
Sensibilidade: 9.10-10 A/mmHg para membrana de teflon de 6mµ de espessura.
Varia pouco com fluxo Eletrodos para medir paCO2 e eletrólitos
– A célula eletroquímica para medição potenciométrica de pH possui um eletrodo de referência (pH constante) e um eletrodo de medição que corresponde ao eletrodo de vidro para medição de pH
– A tensão de saída é proporcional à concentração de CO2 dissolvido no plasma do sangue
– Aumento na concentração de CO2 → Aumento da concentração de H+ → Diminuição do pH
– Membrana deixa passar CO2, mas não partículas carregadas – Usa solução “buffer” de bicarbonato de sódio e NaCl
Figura extraída de Medical Instrumentation – Application and Design, John D. Webster editor, third edition, 1998.
