UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CAMPUS FLORIANÓPOLIS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
CARLOS GONTARSKI SPERANZA
TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO E PROCESSAMENTO DIGITAL PARA
CARACTERIZAÇÃO DE ESTERTORES PULMONARES
FLORIANÓPOLIS
2020Carlos Gontarski Speranza
TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO E PROCESSAMENTO DIGITAL PARA CARACTERIZAÇÃO DE ESTERTORES PULMONARES
Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do título de Doutor em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Raimes Moraes
Florianópolis 2020
Carlos Gontarski Speranza
TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO E PROCESSAMENTO DIGITAL PARA CARACTERIZAÇÃO DE ESTERTORES PULMONARES
O presente trabalho em nível de doutorado foi avaliado e aprovado por banca examinadora composta pelos seguintes membros:
Prof. Marcio Nogueira de Souza, Dr. Universidade Federal do Rio de Janeiro
Prof. Bruno Catarino Bispo, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. Carlos Aurélio Faria Da Rocha, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. Marcio Holsbach Costa, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina
Certificamos que esta é a versão original e final do trabalho de conclusão que foi julgado adequado para obtenção do título de doutor em Engenharia Elétrica.
____________________________ Prof. Dr. Bartolomeu F. Uchôa-Filho
Coordenador do Programa
____________________________ Prof. Dr. Raimes Moraes
Orientador
Florianópolis, 16 de março de 2020. Raimes
Moraes:05499748810
Digitally signed by Raimes Moraes:05499748810 Date: 2020.03.16 15:17:30 -03'00' Bartolomeu Ferreira Uchoa Filho:47636211491
Assinado de forma digital por Bartolomeu Ferreira Uchoa Filho:47636211491 Dados: 2020.03.17 12:10:14 -03'00'
Dedico este trabalho à minha mãe, Enrica, e ao meu filho, Luca,
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por me permitir a vida e poder estar neste momento do universo dando minha contribuição para o desenvolvimento humano.
Agradeço à minha esposa, Simone T. Marques, pelo seu amor, companheirismo e apoio às minhas escolhas profissionais.
Agradeço a toda minha família (pais, irmãs, sobrinhos e cunhados) pela educação, formação e valioso convívio.
Agradeço ao professor Raimes Moraes pela sua orientação, disponibilidade e exemplo de persistência. Além disso, sou grato pela sua compreensão em relação às situações pessoais difíceis que ocorreram durante o período de execução deste doutorado.
Agradeço aos colegas Douglas Alves, João Baggio, Willian D. de Mattos, Leandro Schwarz, Pedro Giassi Jr., Mauro Peraça e Reginaldo Steinbach pela valiosa ajuda prestada no decorrer do trabalho.
Agradeço às fisioterapeutas Deborah H. Kunzler e Kelly C. Bonorino pelo auxílio nas medições de sons respiratórios realizadas no Hospital Universitário da UFSC.
Agradeço à empresa Medi-Wave Inc. por gentilmente disponibilizar o banco de dados R.A.L.E. de sons respiratórios para esta pesquisa.
RESUMO
Este trabalho propõe técnicas de aquisição e processamento digital de sinais para uma melhor caracterização de estertores pulmonares. Apesar destes sons respiratórios adventícios (anormais) ocorrerem em diversas doenças cardiorrespiratórias, sua utilização em diagnóstico é comprometida devido às distorções sofridas pelo sinal no percurso desde a sua geração, no interior dos pulmões, até a sua captação na superfície do tórax. As principais causas dessas distorções são a superposição de sons respiratórios normais (SRN), a presença de filtros eletrônicos nos sistemas de aquisição e a atenuação não-uniforme do tórax. Estes fatores comprometem a estimação do índice Two-Cycle Duration (2CD), atualmente utilizado para identificar tipos de estertores. Um novo índice menos suscetível aos dois primeiros fatores interferentes, denominado 2CDIF (obtido a partir da frequência instantânea - FI - do estertor), é
proposto neste trabalho. Este índice é estimado através da pseudo distribuição discreta de Wigner-Ville (DPWD), ferramenta mais adequada para análise de sinais não-estacionários do que a realizada no domínio do tempo para o cálculo do 2CD. Para compensar a inevitável convolução entre o sinal original do estertor e a resposta ao impulso do tórax, foi proposto equalização cega baseada em autovalores (EVA), em conjunto com o critério da máxima esparsidade. Adicionalmente, foi desenvolvido um novo sistema de aquisição de estertores para investigar o uso de 2 canais analógicos na captação de componentes de frequência muito atenuadas pelo tórax. As propostas foram avaliadas com estertores simulados (por permitir comparação a parâmetros de referência não modificados pelo percurso) e com estertores reais (obtidos de bancos de dados e sons amostrados de pacientes do Hospital Universitário da UFSC). Foram também realizados experimentos em 8 voluntários com diferentes índices de massa corporal (portanto, diferentes níveis de atenuação); nestes, estertores simulados foram aplicados no sistema respiratório (via boca) e captados no tórax. Os resultados mostraram que o 2CDIF é muito menos suscetível às distorções na forma de onda dos estertores; erros
percentuais absolutos médios deste índice foram muito inferiores aos obtidos para 2CD. Os experimentos com voluntários mostraram que a alteração morfológica dos estertores (e em consequência, dos índices) causada pela atenuação torácica pode ser recuperada pelo equalizador EVA com o critério da máxima esparsidade. A equalização de estertores reais apontou a presença de componentes de frequências maiores do que os anteriormente relatados na literatura. No entanto, a aquisição de estertores através do sistema com 2 canais analógicos não possibilita afirmar se há melhorias em relação ao sistema de aquisição usual de um único canal; investigações adicionais fazem-se necessárias. Concluindo, os métodos propostos contribuem para medir parâmetros dos estertores pulmonares menos impactados por sons interferentes, pelas diferentes características físicas dos pacientes e por especificações de sistema de aquisição. O emprego destas técnicas deve contribuir para que sons respiratórios venham a ser objetivamente utilizados no diagnóstico e acompanhamento de enfermidades cardiorrespiratórias.
Palavras-chave: Frequência dominante. Frequência máxima. Análise tempo-frequência.
ABSTRACT
This work proposes acquisition and digital signal processing techniques for a better characterization of pulmonary crackles. Although these adventitious (abnormal) breathing sounds occur in several cardiorespiratory diseases, their use in diagnostic is compromised by distortions suffered by the signal on the path from its generation inside the lungs to its capture on the chest surface. The main causes of these distortions are the overlapping of normal breath sounds (NBS), the presence of electronic filters in the acquisition systems and the non-uniform attenuation of the chest. These factors compromise the estimation of the Two-Cycle Duration (2CD) index, currently used to identify types of crackles. A new index less susceptible to the first two interfering factors, called 2CDIF (obtained from the instantaneous frequency – IF - of
the crackles), is proposed in this work. This index is estimated through the Discrete Pseudo Wigner-Ville Distribution (DPWD), a better tool for non-stationary signal analysis than the time domain used for the 2CD calculation. To compensate the inevitable convolution between the original crackle signal and the chest impulse response, eigenvector approach (EVA) blind equalization was proposed, together with the maximum sparsity criterion. In addition, a new system for crackle acquisition was developed to investigate the use of two analog channels to capture frequency components attenuated by the chest. The proposals were evaluated with simulated crackles (for allowing comparison with reference parameters not modified by the path) and with actual crackles (obtained from databases and sampled sounds of patients from the Hospital Universitário of UFSC). Experiments were also performed on 8 volunteers with different body mass indexes (therefore different attenuation levels); in these, simulated crackles were applied to the respiratory system (via the mouth) and captured in the chest wall. The results showed that 2CDIF is much less susceptible to crackle waveform distortions; Mean Absolute
Percentage Errors of this index were much lower than those obtained for 2CD. Experiments with volunteers showed the morphological alteration of the crackles (and, consequently, the indices) caused by thoracic attenuation; also show their recovery by the EVA equalizer with the criterion of maximum sparsity. The equalization of actual crackles indicated the presence of higher frequency components than those previously reported in the literature. However, the acquisition of crackles by the system with two analog channels does not make it possible to state that there are improvements compared to the usual single channel acquisition system; further investigations are needed. In conclusion, the proposed methods contribute to measure parameters of the pulmonary crackles less impacted by interfering sounds, the different physical characteristics of the patients and the acquisition system specifications. The use of these techniques should contribute so that respiratory sounds can be objectively used in the diagnosis and monitoring of cardiorespiratory diseases.
Keywords: Dominant frequency. Maximum frequency. Time-frequency analysis. Model-based
clustering. Computer analysis of respiratory sounds.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Músculos envolvidos na respiração (Guyton e Hall, 2006). ... 20
Figura 2.2 – Organização e ramificações das vias respiratórias, onde Z é o número de geração da árvore brônquica (Weibel, 1984) ... 21
Figura 2.3 – Terminologia relacionada aos SR (modificado de Sovijarvi et al., 2000c; Pasterkamp et al., 2015) ... 25
Figura 2.4 – Forma de onda típica de um estertor (u.a. = unidade arbitrária), com os intervalos temporais correspondentes aos índices IDW (Initial Deflection Width), LDW (Largest
Deflection Width) e 2CD (Two-Cycle Duration) (modificado de Charbonneau et al., 2000). . 32
Figura 2.5 – Curva de atenuação do tórax: média (azul) e desvio padrão (tracejadas) (Ponte, 2011). ... 37
Figura 3.1 – Curva do somatório da energia (SE) de DPWD(n,k) e a aplicação do MGM para detectar a frequência máxima (modificado de Ponte, 2011) ... 42
Figura 3.2 – Comparação entre as respostas do filtro analógico (linha contínua) e do filtro discreto (símbolo o): (a) resposta em magnitude e (b) atraso de grupo. Ambos os filtros possuem as mesmas especificações: FPF tipo Bessel de 8ª ordem, faixa de passagem: 60 a 2000 Hz (elaborada pelo autor). ... 45
Figura 3.3 – Configuração do sistema para equalização cega com filtros (FIR) e(n) e f(n) de tamanho L (modificado de Jelonnek e Kammeyer, 1994)... 47
Figura 3.4 – Sistema de aquisição de estertores com 2 canais (SAE2): canais 1 e 2 com diferentes níveis de amplificação e filtragem analógica, digitalização (ADC), filtragem digital (BFD) e formação dos sinais resultantes (S1 e S2) (elaborada pelo autor). ... 52
Figura 3.5 – Circuito condicionador de sinal do transdutor resistor sensível à força (FSR). O valor do resistor RM utilizado foi 33 kΩ (Interlink Electronics). ... 57
Figura 3.6 - Banco de filtros digitais constituído por filtros passa-banda (Schafer e Rabiner, 1971). ... 58
Figura 3.7 - Diagrama de blocos do experimento proposto para investigar a atenuação acústica de estertores pelo tórax de voluntários (Speranza et al., 2016) ... 63
Figura 4.1. a) Estertor fino simulado (2CDT = 3 ms); d) Estertor grosso simulado (2CDT = 18
ms); b e e) curvas de nível das DPWD de a e d, respectivamente; c e f) comportamento variante no tempo das curvas de FI obtidas de b e e, respectivamente. As frequências dominantes (FD) são também indicadas em b (688 Hz) e e (117 Hz) (elaborada pelo autor). ... 74
Figura 4.2 - Formas de onda de estertores simulados modificados pela filtragem passa-faixa (FPF) Bessel de 8ª ordem (60 a 2000 Hz): a) estertor fino (2CDT = 3 ms); b) janela de ampliação
enfatiza o deslocamento do último cruzamento por zero do estertor fino e c) estertor grosso (2CDT = 18 ms). Os estertores originais (linhas azuis contínuas) e filtrados (linhas vermelhas
tracejadas) são mostrados (elaborada pelo autor). ... 76
Figura 4.3 - Efeitos da filtragem (FPF tipo Bessel de 8ª ordem - 60 a 2000 Hz) nos índices 2CDT
(linha vermelha) e 2CDIF (linha azul) medidos a partir de estertores simulados: erro percentual
absoluto (EPA) entre os índices medidos antes e depois da filtragem. Os valores de 2CDT no
eixo horizontal correspondem aos originais (antes da filtragem). Os símbolos são os resultados experimentais; as linhas sólidas correspondem ao ajuste polinomial aos dados (elaborada pelo autor). ... 77
Figura 4.4 - Efeito conjunto de adição de ruído (SNR: 20 dB e 8 dB) e filtragem (FPF tipo Bessel de 8ª ordem, 60 a 2000 Hz) nos índices 2CDT (linha vermelha) e 2CDIF (linha azul)
medidos a partir de estertores simulados: a) e c) erro percentual absoluto médio (EPAM) entre estertores originais e modificados; b) e d) coeficiente de variação (CV) dos índices para estertores modificados. Os valores 2CDT no eixo horizontal correspondem aos originais (sem
distorções). Os símbolos são os resultados experimentais e as linhas sólidas representam o ajuste polinomial aos dados (elaborada pelo autor)... 78
Figura 4.5 - Diagramas de caixa (boxplot) para (a) medições de 2CDT e (b) 2CDIF obtidas de
estertores reais. A linha tracejada em (b) indica o limite discriminante entre as duas classes de estertores. Os valores atípicos (outliers) foram plotados individualmente usando o símbolo “+” (elaborada pelo autor). ... 80
Figura 4.6 - Histogramas normalizados para cada conjunto de dados de medições de índice e ajuste de máxima verossimilhança de funções de densidade de probabilidade (PDF) gaussianas: (a) 2CDT e (b) 2CDIF. Os termos fino e grosso seguem a comum classificação psicoacústica;
eles não estão relacionados às diretrizes da CORSA (elaborada pelo autor). ... 81
Figura 4.7 – Exemplo da resposta em magnitude típica do equalizador EVA aplicado em estertores atenuados pelo tórax de voluntários (elaborada pelo autor). ... 82
Figura 4.8 - Exemplos de formas de onda de estertores simulados (a: 2CDT = 2 ms; d: 2CDT =
5 ms) adquiridos no tórax antes (b e e) e após a equalização (c e f). As amplitudes foram normalizadas (elaborada pelo autor)... 83
Figura 4.9 - Gráficos dos índices FD e FM medidos a partir de estertores simulados (2CDT =
5ms: ‘+’ azuis; 2CD = 2ms: ‘x’ vermelhos) registrados na parede torácica (a) antes e (b) após a equalização. Os valores de referência dos estertores simulados são indicados como sinal "+" azul grande (2CDT = 5ms) e "x" vermelho grande (2CDT = 2ms). As elipses referem-se aos
intervalos de confiança de 90% dos agrupamentos identificados pelo GMM (elaborada pelo autor). ... 85
Figura 4.10 - Intervalo do registro RALE_c (a) antes e (b) após a equalização (elaborada pelo autor). ... 87
Figura 4.11 - Gráficos de dispersão dos índices FD e FM medidos a partir dos estertores inspiratórios identificados como grossos (‘+’ azuis) ou finos (‘x’ vermelhos) no banco de dados R.A.L.E. antes (a) e após (b) a equalização. As elipses mostradas em (a) referem-se aos intervalos de confiança de 90% dos agrupamentos identificados pelo GMM (elaborada pelo autor). ... 87
Figura 4.12 – a) Magnitude e b) atraso de grupo do banco de filtros digital 1 (BFD 1: linha vermelha), banco de filtros digital 2 (BFD 2: linha azul) e banco de filtros digital resultante
(linha preta) (elaborada pelo autor). ... 88
Figura 4.13 - Gráficos de dispersão dos índices FD e FM medidos a partir dos estertores detectados de pacientes com enfermidades respiratórias do HU/UFSC antes (a) e após (b) a equalização (canal 1) (elaborada pelo autor). ... 91
Figura B.1 – Circuito de polarização e pré-amplificador do microfone ... 121
Figura B.2 – Circuito de ganho do canal 1 ... 121
Figura B.3 – Circuitos dos filtros passa-alta (FPA) dos canais 1 e 2 ... 122
Figura B.4 – Circuitos dos filtros passa-baixa (FPB) e condicionadores para ADC dos canais 1 e 2 ... 122
Figura B.5 – Circuito amplificador para fone de ouvido ... 123
Figura B.6 – Circuitos de alimentação: regulador de tensão e gerador de tensão negativa (-3 V) ... 123
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Relação entre doenças cardiorrespiratórias e características dos estertores encontrados (elaborada pelo autor)... 29
Tabela 2.2 – Índices de estertores baseados no domínio do tempo, também chamada de
Time-Expanded Waveform Analysis - TEWA) (elaborada pelo autor). ... 33
Tabela 2.3 – Índices de estertores baseados no domínio da frequência (elaborada pelo autor). ... 33
Tabela 2.4 – Índices de estertores baseados no domínio do tempo-frequência (elaborada pelo autor). ... 34
Tabela 2.5 – Índices de estertores baseados em outras análises (elaborada pelo autor)... 34
Tabela 3.1 – Especificações do transdutor (microfone): recomendações do CORSA e do microfone de eletreto (condensador) utilizado - EM172 da Primo (elaborada pelo autor). ... 53
Tabela 3.2 –Especificações do amplificador: recomendações do CORSA e sistema projetado (elaborada pelo autor). ... 54
Tabela 3.3 - Especificações do filtro Passa Alta (FPA): recomendações do CORSA e filtro projetado - tipo Bessel de 4ª ordem (elaborada pelo autor). ... 54
Tabela 3.4 - Especificações do filtro Passa Baixa (FPA) analógico: recomendações do CORSA e filtro projetado - tipo Bessel de 2ª ordem. (*) Embora não exista uma recomendação clara para a frequência máxima de estertores, diversos pesquisadores utilizam 2000 Hz (elaborada pelo autor). ... 54
Tabela 3.5 – Especificações dos 2 canais analógicos: ganhos, frequências de corte (fC) dos
filtros passa-alta (FPA) – tipo Bessel de 4ª ordem - e fC do filtros passa-baixa (FPB) – tipo
Tabela 3.6 – Especificação do conversor analógico-digital (ADC): recomendações do CORSA e o sistema utilizado - NI USB-6212, da National Instruments. fS: frequência de amostragem
(elaborada pelo autor). ... 57
Tabela 3.7 – Características antropométricas do estudo com voluntários (media ± desvio padrão). IMC = Índice de Massa Corporal (elaborada pelo autor). ... 65
Tabela 3.8 – Cinco registros contendo estertores do banco de dados da ERS: nome do registro, enfermidade e laudo de 6 especialistas sobre o tipo de estertor - a concordância em relação à classificação é indicada entre parênteses (elaborada pelo autor). ... 66
Tabela 3.9 – Treze registros de estertores e um de SRN do banco de dados R.A.L.E.: nome do registro, enfermidade e identificação do tipo de estertor (elaborada pelo autor). ... 67
Tabela 3.10 – Idade, características clínicas e antropométricas dos 5 pacientes da UTI/HU/UFSC participantes do estudo (IMC = Índice de Massa Corporal) (elaborada pelo autor). ... 68
Tabela 4.1 – Ganhos e faixas de frequência medidos para o SAE2 (elaborada pelo autor). .... 71
Tabela 4.2 – Comparação entre estimadores de frequência instantânea (FI) para estertores simulados com diferentes 2CDT: através do cruzamento por zero (1/(2CDT/2)), pela média
ponderada (<fi>) e pela frequência dominante (FD) (elaborada pelo autor). ... 73
Tabela 4.3 - Comparação entre medições de 2CDT e 2CDIF de estertores simulados (sem
distorções). EPAT-IF: erro percentual absoluto entre os índices 2CDT (referência) e 2CDIF
(elaborada pelo autor). ... 75
Tabela 4.4 – Média (M), desvio padrão (DP) e CV dos índices 2CDT e 2CDIF medidos de
estertores reais dos bancos de dados R.A.L.E. e ERS (elaborada pelo autor). ... 79
Tabela 4.5 - Valores médios das funções de densidade de probabilidade (PDF) gaussianas de 2CDIF e o valor discriminante da Figura 4.6b. São também apresentados os valores
psicoacústicos comumente utilizados (fino e grosso) não estão relacionados ao CORSA (elaborada pelo autor). ... 81
Tabela 4.6 – Índices FD e FM de estertores simulados (2CDT = 2 ms e 5 ms) e valores médios
(M) e desvio padrão (DP) (M ± DP) obtidos de estertores captados na boca e no tórax (antes e após a equalização EVA) (elaborada pelo autor). ... 84
Tabela 4.7 – Erros Percentuais Absolutos médios (EPAM) entre valores de referência (simulados) e valores médios dos estertores captados no tórax (antes e após a equalização EVA) obtidos na Tabela 4.6 (elaborada pelo autor). ... 84
Tabela 4.8 – Registros do banco de dados R.A.L.E. com a anotação (G = grosso; F = fino), número de estertores inspiratórios detectados, índices FD e FM (média ± desvio padrão) medidos antes (tórax) e após a equalização (elaborada pelo autor). ... 86
Tabela 4.9 – Índices FD e FM de estertores simulados (2CDT = 2 ms e 5 ms) e valores médios
(M) e desvio padrão (DP) (M ± DP) obtidos de estertores captados no tórax de voluntários com IMC considerado normal ou com sobrepeso, após a equalização utilizando 1 canal (sinal S1) e 2 canais (sinal S2) (elaborada pelo autor). ... 89
Tabela 4.10 – Índices FD e FM de estertores simulados (2CDT = 2 ms e 5 ms) e valores médios
(M) e desvio padrão (DP) (M ± DP) obtidos de estertores captados no tórax de voluntários obesos (IMC > 30 kg/m2) após a equalização utilizando 1 canal (sinal S1) e 2 canais (sinal S2)
(elaborada pelo autor). ... 89
Tabela 4.11 – Resultados da medição dos índices FD e FM (média ± desvio padrão) dos estertores detectados, medidos antes (tórax) e após a equalização utilizando 1 canal (sinal S1) e 2 canais (sinal S2). Para o paciente CE, houve saturação do canal 2, impossibilitando a obtenção confiável dos índices relativos ao sinal S2 (elaborada pelo autor). ... 90
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
2CD Two-Cycle Duration
2CDIF Índice 2CD calculado pela Frequência Instantânea
2CDT Índice 2CD calculado no Domínio do Tempo
ACSR Aquisição e Análise Computadorizada de Sons Respiratórios ADC Conversor Analógico-Digital
ATS American Thoracic Association BFD Banco de Filtros Digitais BIC Bayesian Information Criterion
CORSA Computerized Respiratory Sound Analysis CV Coeficiente de Variação
DFT Discrete Fourier Transform DP Desvio Padrão
DPOC Doença Pulmonar Obstrutiva Crônica
DPWD Pseudo Distribuição Discreta de Wigner-Ville DTF Distribuições Tempo-Frequência
EMD Empirical Mode Decomposition EPA Erro Percentual Absoluto
EPAM Erro Percentual Absoluto Médio ERS European Respiratory Society EVA Eigenvector Approach
FC Fibrose Cística fC frequência de corte
FD Frequência Dominante
FET Forma de onda da Expansão Torácica FI Frequência Instantânea
FIR Finite Impulse Response FM Frequência Máxima FPFrequência de Pico FPA Filtro Passa-Alta FPB Filtros Passa-Baixa FPF Filtro Passa-Faixa
fS frequência de amostragem
FSR Force Sensitive Resistor GMM Gaussian Mixture Model HU Hospital Universitário
i.i.d. independentes e identicamente distribuídas
ICC Insuficiência Cardíaca Congestiva IDW Initial Deflection Width
IIR Infinite Impulse Response
ILSA International Lung Sound Association IMC Índice de Massa Corporal
ksps kilo-samples per second LDW Largest Deflection Width
MGM Método Geométrico Modificado RI Resposta ao Impulso
SAE2 Sistema de Aquisição de Estertores com 2 Canais SE Somatória da Energia
SNR Signal-to-Noise Ratio SR Sons Respiratórios
SRA Sons Respiratórios Adventícios
SRAC Sons Respiratórios Adventícios Contínuos SRAD Sons Respiratórios Adventícios Descontínuos SRN Sons Respiratórios Normais
STFT Short Time Fourier Transform TEWA Time-Expanded Waveform Analysis UTI Unidade de Terapia Intensiva
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 1.1 OBJETIVOS ... 16 1.1.1 Objetivo geral ... 16 1.1.2 Objetivos específicos... 16 1.2 JUSTIFICATIVA ... 17 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO ... 18 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA... 19 2.1 Fisiologia da Respiração ... 19 2.2 Enfermidades cardiorrespiratórias ... 22 2.3 Sons Respiratórios (SR) ... 24
2.3.1 Sons respiratórios normais (SRN) ... 24
2.3.2 Sons respiratórios adventícios (SRA) ... 26
2.4 Ausculta pulmonar e índices quantitativos para a análise de estertores ... 30
2.5 Fatores que afetam a análise de estertores... 32
2.5.1 Superposição de outros sons ... 34
2.5.2 Atenuação não uniforme pelo tórax... 35
2.5.3 Atenuação devido ao filtro passa-alta (FPA) dos sistemas de aquisição ... 37
2.6 Discussão ... 38
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 39
3.1 Análise de estertores através de distribuições de tempo-frequência ... 39
3.1.1 A Pseudo Distribuição Discreta de Wigner-Ville (DPWD) ... 40
3.1.2 Estimativa da frequência máxima (FM) de estertores ... 41
3.1.3 Estimativa da frequência instantânea (FI) de estertores ... 42
3.2 Equalização cega aplicada ao registro de estertores ... 46
3.2.1 Escolha de parâmetros do equalizador cego através da maximização da esparsidade média ... 50
3.3 Sistema de aquisição de estertores com 2 canais ... 51
3.3.1 Módulo analógico ... 55
3.3.2 Conversão Analógico-Digital ... 57
3.3.3 Banco de filtros digitais para processamento de estertores ... 58
3.4 Uso de estertores simulados ... 61
3.5 Experimento com voluntários para avaliar a atenuação acústica do tórax sobre estertores ... 62
3.5.1 Características dos estertores simulados e do aparato para sua aplicação... 63
3.5.2 Dados antropométricos dos voluntários do experimento ... 64
3.6 Aplicação das técnicas em estertores reais ... 65
3.6.1 Bancos de dados de sons respiratórios ... 65
3.6.2 Coleta de sons respiratórios em pacientes (dados clínicos e antropométricos) .. 67
3.7 Procedimento semi-automático para detecção de estertores equalizados ... 68
3.8 Avaliação estatística dos resultados ... 69
4 RESULTADOS ... 71
4.1 Caracterização do sistema de aquisição de estertores com 2 canais (SAE2) ... 71
4.2 Comparação entre o índice proposto (2CDIF) e o recomendado (2CDT) ... 72
4.2.1 Frequência dominante de estertores como estimador de frequência instantânea ponderada pela intensidade ... 72
4.2.2 Comparação entre índices 2CDIF e 2CDT para estertores simulados ... 73
4.2.3 Comparação entre índices 2CDT e 2CDIF utilizando estertores reais... 79
4.3 Utilização de equalização cega (EVA) em estertores simulados e reais (canal 1) ... 82
4.3.1 Experimento de aplicação de estertores simulados na boca e medidos no tórax de voluntários ... 82
4.3.2 Aplicação em estertores reais: banco de dados... 85
4.4 Sistema eletrônico para captação de estertores com 2 canais analógicos ... 88
4.4.2 Experimento de aplicação e medição de estertores simulados em voluntários com
IMC normal/sobrepeso e obeso ... 89
4.4.3 Medição de estertores reais em pacientes com enfermidades respiratórias ... 90
5 DISCUSSÃO ... 92
5.1 Comparação entre os índices 2CDIF e 2CDT ... 92
5.2 Equalização cega com critério de máxima esparsidade ... 94
5.3 Sistema de captação de estertores com 2 canais... 97
6 CONCLUSÃO ... 99
REFERÊNCIAS ... 102
APÊNDICE A – Revisão bibliográfica ... 115
APÊNDICE B – Circuitos do sistema de aquisição de estertores de 2 canais (SAE2)... 121
1 INTRODUÇÃO
As enfermidades do sistema respiratório estão entre as principais causas de morte a nível mundial. Mais especificamente, as infecções respiratórias do trato inferior, como a pneumonia, e a doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC) representam, respectivamente, a 3ª e a 4ª causa de morte no mundo (WHO, 2017). No Brasil, as doenças pulmonares constituem-se na 3ª causa de morte, correspondendo a 11,60 % do total (SUS, 2012).
Em consequência, comprometem-se recursos significativos do sistema de saúde com o diagnóstico e acompanhamento de enfermidades respiratórias, a maioria baseados em imagens obtidas por meio de raios-x (radiografia e tomografia computadorizada) ou ressonância magnética.
A ausculta pulmonar, que ganhou impulso com a invenção do estetoscópio por René Laennec no início do século XIX, complementa atualmente as técnicas de diagnóstico. Os sons respiratórios (SR), captados no tórax ou na traqueia, são utilizados desde a antiguidade para detectar distúrbios cardiorrespiratórios; no entanto, a avaliação pela ausculta pulmonar baseia-se em critérios subjetivos que dependem da experiência e da capacidade auditiva do profissional médico. Como alternativa, a partir de 1960, iniciou-se a aquisição e a análise computadorizada de sons respiratórios (ACSR), visando o registro digital e a caracterização quantitativa.
No ano 2000, um projeto da comunidade europeia, envolvendo a Sociedade Respiratória Europeia, denominado Computerized Respiratory Sound Analysis (CORSA), resultou em uma coletânea de artigos que abordaram técnicas para a aquisição e análise de SR. Este estudo apresentou diversas recomendações relacionadas à nomenclatura a ser adotada na área, bem como, as condições ambientais de medição, as características da aquisição, pré-processamento, digitalização e análise de SR (Sovijarvi et al., 2000a).
Dentre os SR captados em pacientes com enfermidades cardiorrespiratórias, os estertores (crackles, em língua inglesa) são apontados como um dos mais frequentes (Douros et al., 2018) e relevantes para o diagnóstico (Pasterkamp et al., 1997). Além disso, sua presença constitui-se em primeira evidência de alguns distúrbios respiratórios, como asbestose (Murphy
et al., 1984) e fibrose pulmonar (Murphy, 2008). Os estertores são descritos como sons descontínuos, curtos, explosivos e transientes. Seu registro mostra uma rápida deflexão de pressão acompanhada de um segmento oscilatório, sendo sua origem associada à equalização de pressão em vias aéreas colapsadas (Sovijarvi et al., 2000b).
A avaliação do sistema respiratório através de SR tem, como vantagens, o baixo custo e segurança quando comparada às técnicas baseadas em radiação ionizante, como radiografia e tomografia computadorizada. No entanto, apesar de diversos esforços já realizados, ainda não foram estabelecidos critérios quantitativos confiáveis para o diagnóstico e acompanhamento de pacientes (Spieth e Zhang, 2011) tal que se possa reduzir o número de exames por imagens, e assim, os custos associados.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo geral
Este trabalho objetivou investigar técnicas para caracterizar estertores, buscando contribuir para a obtenção de índices quantitativos que auxiliem o diagnóstico de enfermidades cardiorrespiratórias. Para tal, propõe e analisa técnicas de aquisição e processamento digital de estertores, visando a obtenção de registros com maior qualidade, bem como, de informações mais consistentes para o diagnóstico e acompanhamento do estado clínico de pacientes.
1.1.2 Objetivos específicos
Para alcançar este objetivo, as seguintes etapas foram estabelecidas:
Investigar índices quantitativos utilizados para caracterizar estertores e como estes são afetados por distorções ocorridas durante a etapa de captação (superposição de outros sons e filtragem eletrônica);
Desenvolver um sistema de captação de estertores baseado nas recomendações gerais do CORSA, introduzindo modificações para permitir maior amplificação de bandas de frequências mais atenuadas pelo tórax;
Investigar um sistema de captação de estertores com 2 canais analógicos para avaliar seu potencial na recuperação de frequências muito atenuadas pelo tórax;
Investigar a equalização (ou deconvolução) cega na análise de estertores, visando reduzir o efeito da atenuação do tórax;
Avaliar o sistema e técnicas de processamento propostos a partir da aplicação de estertores simulados na boca de voluntários;
Avaliar o sistema e técnicas de processamento propostos em SR captados de pacientes com doenças cardiorrespiratórias.
1.2 JUSTIFICATIVA
Como há incidência de estertores em diferentes enfermidades cardiorrespiratórias, os SR têm grande potencial para auxiliar o diagnóstico clínico (Pasterkamp et al., 1997). Além disto, a ACSR constitui-se em técnica simples e não-invasiva para a avaliação do sistema respiratório (Jácome e Marques, 2017). No entanto, os principais índices quantitativos (medidos no domínio do tempo) obtidos de SR são muito susceptíveis às distorções da morfologia do sinal. A facilidade de medição faz com que sejam amplamente utilizados por profissionais da saúde.
Alterações das formas de onda ocorrem devido à sobreposição de ruídos de baixa frequência nos registros (Yeginer e Kahya, 2009), a presença de filtros nos sistemas de aquisição (Yeginer e Kahya, 2007) e a atenuação causada pelo tórax (Ponte et al, 2014).
Em relação à atenuação, apesar de investigadores terem estimado a curva de resposta em frequência do tórax e analisado seu efeito na captação de SR, poucos trabalhos estudaram seu impacto nos índices medidos de estertores. Adicionalmente, sabe-se que as características físicas dos indivíduos influenciam a sua curva de atenuação torácica, dificultando ainda mais a obtenção de índices quantitativos consistentes (Ponte et al, 2014).
Desta forma, métodos mais apropriados para a captação de estertores e o uso de ferramentas mais adequadas ao processamento destes (distribuições tempo-frequência e equalização cega) podem permitir que a subjetividade de especialistas na identificação de enfermidades seja quantificada (Reyes et al, 2014).
1.3 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO
Este capítulo introduz a proposta de trabalho, contextualizando a pesquisa, descrevendo seus objetivos e apresentando as justificativas.
O capítulo 2 traz a fundamentação teórica dos principais elementos envolvidos no trabalho, como a fisiologia do sistema respiratório, os tipos de SR, bem como as diferentes fontes de distorção dos estertores.
O capítulo 3 apresenta as técnicas para processamento de SR utilizadas neste trabalho, como a pseudo distribuição discreta de Wigner-Ville (DPWD), a equalização cega baseada em autovetores (EVA) e banco de filtros digitais (BFD). Descreve uma proposta para caracterizar estertores, incluindo a aplicação de um novo índice baseado na DPWD e a aquisição de SR utilizando 2 canais analógicos com BFD. Discute ainda, experimento projetado para avaliar distorção em estertores ocasionada pela atenuação de suas componentes de mais alta frequência pelo tórax.
O capítulo 5 contém os resultados obtidos com a aplicação de novo índice proposto em estertores simulados e reais, além de experimento para avaliar distorção de estertores aplicados em voluntários. Os resultados da aplicação da equalização cega EVA e do sistema de aquisição com 2 canais analógicos em estertores são apresentados.
O capítulo 6 discute os resultados das técnicas e sistemas aplicados neste estudo.
O capítulo 7 apresenta a conclusão, discute as contribuições da investigação e sugere trabalhos futuros.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Este capítulo traz a fundamentação teórica desta tese, abordando aspectos gerais da fisiologia da respiração humana, descrevendo importantes enfermidades cardiorrespiratórias, apresentando os tipos de SR, mostrando os índices quantitativos propostos para caracterização de estertores e discutindo os fatores que afetam a captação de sons respiratórios sobre o tórax.
2.1 Fisiologia da Respiração
A respiração humana objetiva prover oxigênio e remover o dióxido de carbono dos tecidos do corpo, envolvendo 4 etapas: (1) ventilação pulmonar, que compreende a troca de ar entre a atmosfera e os alvéolos pulmonares; (2) difusão de oxigênio e dióxido de carbono entre os alvéolos e o sangue; (3) transporte desses gases pelo sangue e líquidos corporais e suas trocas com as células de todos os tecidos do corpo; e (4) regulação da ventilação (Guyton e Hall, 2006).
A mecânica da ventilação pulmonar envolve músculos para auxiliar a expansão e a contração dos pulmões, ocorrendo de duas maneiras: (1) pelo movimento ascendente e descendente do diafragma e (2) pela elevação e depressão das costelas através dos músculos intercostais. Ambos mecanismos alteram o volume da cavidade torácica, modificando a pressão interna dos pulmões que ocasiona a entrada ou saída de ar (Guyton e Hall, 2006). A Figura 2.1 mostra esses mecanismos nas duas fases respiratórias: inspiração e expiração.
Em repouso, a inspiração ocorre devido apenas à contração do diafragma. No caso de uma inspiração mais intensa, a elevação da caixa torácica reforça a expansão pulmonar; as costelas encontram-se inclinadas em repouso, sendo projetadas para frente quando a caixa torácica é elevada. Isto aumenta o diâmetro anteroposterior do tórax, gerando uma pressão intrapulmonar negativa (em relação ao meio externo) que proporciona a entrada de ar nos pulmões. Já a expiração - saída de ar dos pulmões - é normalmente passiva, devendo-se ao relaxamento do diafragma e recuo elástico dos pulmões: as paredes do tórax e estruturas abdominais comprimem os pulmões, expelindo o ar de seu interior (Guyton e Hall, 2006).
Figura 2.1 – Músculos envolvidos na respiração (Guyton e Hall, 2006).
As vias aéreas dividem-se em zonas de condução, transição e respiratórias. A primeira começa na traqueia, que se divide sucessivamente em brônquios, brônquios lobares, brônquios segmentares, bronquíolos e bronquíolos terminais. A traqueia e os brônquios possuem estruturas especiais para não colapsarem: anéis cartilaginosos na traqueia e placas cartilaginosas nas paredes brônquica (Guyton e Hall, 2006). A Figura 2.2 mostra essa estrutura pulmonar e a divisão em zonas. Normalmente, a maior resistência ao fluxo de ar é nos brônquios e nos bronquíolos maiores, devido ao seu pequeno número em relação aos múltiplos bronquíolos terminais.
As trocas gasosas ocorrem na zona respiratória que se inicia nos bronquíolos respiratórios (originados dos bronquíolos terminais), ramificando-se em dutos alveolares e, finalmente, nos sacos alveolares (Weibel, 1984).
Quando a glote está aberta, a pressão alveolar é igual à atmosférica; assim, não há fluxo de ar para dentro ou para fora dos pulmões, pois a diferença de pressão é nula em toda a árvore respiratória. Na inspiração, a pressão alveolar torna-se ligeiramente negativa (cerca de -1 cm de H2O), proporcionando a entrada de ar nos pulmões (0,5 litro em 2 segundos - valores médios
para indivíduos adultos). Na expiração, ocorre o inverso; a pressão nos alvéolos aumenta para +1 cm de H2O, expelindo ar dos pulmões (Guyton e Hall, 2006).
Figura 2.2 – Organização e ramificações das vias respiratórias, onde Z é o número de geração da árvore brônquica (Weibel, 1984)
No interior dos pulmões, tem-se duas forças elásticas que tendem a provocar seu colapso: (1) as causadas pelo próprio tecido pulmonar e (2) as geradas pela tensão superficial do líquido que reveste as paredes internas dos alvéolos e de outros espaços aéreos pulmonares. A força elástica do tecido pulmonar é estabelecida por fibras (elastina e colágeno) que se encontram entrelaçadas com o parênquima pulmonar; assim, quando os pulmões se expandem, estas são esticadas e desdobradas, exercendo força para retornar no repouso. No entanto, a força causada pela tensão superficial do líquido existente no interior dos alvéolos é a de maior intensidade: quando os pulmões estão preenchidos com ar, existe uma interface entre o líquido alveolar e o ar. A presença de uma substância surfactante natural diminui consideravelmente a tensão superficial, auxiliando os alvéolos a não colapsarem; assim, há um menor esforço dos músculos respiratórios para expandir os pulmões. Essa substância é produzida por células epiteliais alveolares tipo II, presentes na superfície dos alvéolos (Guyton e Hall, 2006).
2.2 Enfermidades cardiorrespiratórias
A seguir, apresenta-se uma sucinta descrição das principais enfermidades cardiorrespiratórias associadas à geração de SR.
Fibrose Pulmonar Idiopática
A fibrose pulmonar idiopática (FPI) é uma doença em que ocorre o espessamento do interstício da parede alveolar, reduzindo a troca gasosa. Com sua evolução, ocorre o aparecimento de fibroblastos que depositam feixes espessos de colágenos nas paredes dos alvéolos. No estágio final da doença, a estrutura alveolar é destruída; a cicatrização produz espaços císticos cheios de ar formados pelos bronquíolos respiratórios e alvéolos. É também conhecida por fibrose intersticial, pneumonia intersticial e alveolite fibrosante criptogênica (West, 1996).
Asbestose
Definida como fibrose intersticial difusa dos pulmões devido à exposição ao asbesto (amianto). O asbesto é uma fibra mineral flexível e altamente resistente ao calor; é encontrada naturalmente na crosta terrestre, sendo ainda utilizada na construção civil. As características clínicas e histopatológicas da asbestose são semelhantes a outras fibroses intersticiais, sendo estas decorrentes da presença de grande quantidade de fibras de asbesto (Capelozzi, 2001).
Fibrose Cística
A fibrose cística (FC) é uma doença genética de caráter autossômico recessivo, crônica e progressiva. Apesar de atingir vários órgãos e sistemas do organismo, são as complicações respiratórias que causam maior mortalidade e morbidade nesta doença. O acometimento do aparelho respiratório é progressivo e de intensidade variável. Tem-se o surgimento de um muco mais viscoso e diminuição da clearance mucociliar (mecanismo natural de limpeza das vias aéreas), predispondo o paciente à sinusite, bronquite, pneumonia, bronquiectasia, fibrose e falência respiratória. A presença de secreções espessas e infectadas gera a obstrução das pequenas vias aéreas e desencadeia um processo inflamatório crônico. A doença pulmonar na
fibrose cística caracteriza-se pela colonização e infecção respiratória por bactérias que levam a dano tissular irreversível (Rosa et al., 2008).
Bronquiectasia
A bronquiectasia é uma doença caracterizada pela dilatação anormal e irreversível dos brônquios devido à destruição da elasticidade e dos componentes musculares, com supuração (formação de pus) local. A mucosa superficial dos brônquios é afetada pela perda de epitélio ciliado, metaplasia escamosa e infiltração por células inflamatórias. Com isso, as paredes dos brônquios colapsam na expiração, promovendo uma abertura súbita na inspiração (West, 1996; Piirila e Sovijarvi, 1995). A bronquiectasia tem forte relação com a FC, sendo esta a sua principal causa (Marques, 2008-tese).
Doença Pulmonar Obstrutiva Crônica
Doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC) é o termo utilizado para pacientes com enfisema, bronquite crônica ou ambos. O enfisema é um complexo processo obstrutivo e destrutivo dos pulmões. No enfisema, há perda do tecido pulmonar, reduzindo acentuadamente a relação área/volume, com a diminuição da capacidade dos pulmões de oxigenar o sangue e eliminar o dióxido de carbono. A bronquite crônica é caracterizada pela inflamação crônica das vias aéreas menores e pela hipertrofia das glândulas mucosas, situadas no interior das paredes dos grandes brônquios. Ocorre expectoração devido à produção excessiva de muco (West, 1996; Guyton e Hall, 2006).
Insuficiência Cardíaca Congestiva
A insuficiência cardíaca congestiva (ICC) diferencia-se da aguda devido ao seu caráter crônico e de surgimento gradual. É uma condição relacionada aos sistemas circulatório e respiratório, ocorrendo quando o coração se torna incapaz de suprir fluxo sanguíneo suficiente para satisfazer as demandas metabólicas dos órgãos (Goldman e Ausiello, 2014). Como consequência, o sangue pode se acumular na circulação pulmonar, havendo aumento das
pressões sanguínea capilar e hidrostática capilar. Surge um edema pulmonar, devido à incapacidade do sistema linfático de drenar o excesso de líquido intersticial (Silverthorn, 2010).
Pneumonia
A pneumonia é causada pela inflamação pulmonar associada ao preenchimento alveolar por exsudato (material resultante de processo inflamatório: líquido, células e fragmentos de células). Durante a pneumonia aguda, ocorre edema e infiltração de células que podem estreitar os brônquios. A supuração pode resultar em necrose, causando abcesso pulmonar. Durante o processo de cura, o edema diminui e o parênquima pulmonar tende a secar (West, 1996).
2.3 Sons Respiratórios (SR)
Na Figura 2.3, tem-se proposta do CORSA em relação aos termos associados aos SR, que podem ser classificados como sons respiratórios normais (SRN) e sons respiratórios adventícios (SRA) - normalmente relacionados a alguma enfermidade cardiorrespiratória. Além disso, pode-se classificar os SR de acordo com o local de captação dos sons: tórax (sons pulmonares) ou traqueia/boca.
2.3.1 Sons respiratórios normais (SRN)
No passado, os SRN eram denominados de sons vesiculares devido à suposição equivocada de que eram gerados no interior dos alvéolos (vesículas). Atualmente, a sua presença é atribuída ao fluxo turbulento de ar nas vias aéreas de maior calibre (Sovijarvi et al., 2000b). Tal turbulência ocorre nas ramificações da árvore respiratória (Sarquar et al., 2015). Nas vias aéreas mais estreitas (incluindo os alvéolos), o fluxo é laminar e, portanto, silencioso (Forgacs, 1978; Sovijarvi et al., 2000b).
A amplitude dos SRN depende da velocidade do fluxo respiratório (Sovijarvi et al., 2000b). Sua distribuição espacial sobre o tórax não é uniforme: depende das estruturas anatômicas existentes entre a fonte do som - vias aéreas - e o local de ausculta. Os SRN são menos intensos na parte superior (apical) do que na base, sendo claramente auscultados durante toda a inspiração e, ocasionalmente, no início da fase expiratória (Sovijarvi et al., 2000b).
Atualmente, considera-se que os SRN inspiratórios são principalmente gerados nos brônquios lobares e segmentais, enquanto que os SRN na expiração se originam de fontes mais centrais (Bohadana et al, 2014; Sovijarvi et al., 2000b).
Figura 2.3 – Terminologia relacionada aos SR (modificado de Sovijarvi et al., 2000c; Pasterkamp et al., 2015)
Os SRN podem ser modelados como ruído branco (gerado pelo fluxo de ar turbulento) atenuado pelo parênquima pulmonar e pela caixa torácica (Iyer et al., 1989). A largura de banda dos SRN no tórax está entre 100 e 2000 Hz, com significante atenuação em componentes acima de 200-250 Hz.
A geração dos SRN é afetada pela redução do fluxo de ar (hipoventilação devido à obstrução das vias aéreas ou depressão do sistema nervoso central), como também por alterações da transmissão do som devido a fatores intrapulmonares (por exemplo, combinação de hiperdistensão e destruição do parênquima ou efusão pleural) ou extrapulmonares (por exemplo, devido à obesidade ou deformações torácicas) (Bohadana et al., 2014).
Alguns SRN podem também ser auscultados e registrados na boca ou na traqueia. Nestes locais, os SRN captados não são atenuados pelo tórax, mas podem ser influenciados pelo efeito de ressonância da traqueia (Sovijarvi et al., 2000b). Desprezando-se esse efeito, o registro seria
Sons adventícios Traqueia Boca Sons normais Traqueia Boca Sons Respiratórios (SR) Sons Pulmonares Tórax Tórax
semelhante ao captado diretamente no interior dos pulmões - efeito semelhante ocorre na ausculta torácica quando o pulmão está consolidado. SR traqueais podem ainda sofrer alterações relacionadas com as obstruções nas vias aéreas superiores, servindo de indicador desta condição. Seu espectro de frequência é mais amplo do que o SRN pulmonar (de 100 a 5000 Hz), embora a maior energia esteja entre 1000 e 1200 Hz (Bohadana et al., 2014).
2.3.2 Sons respiratórios adventícios (SRA)
Os SRA estão normalmente associados a alguma alteração ou enfermidade cardiorrespiratória. Baseado em análises morfológicas, a International Lung Sound Association (ILSA) em 1976 os classificou como sons respiratórios adventícios contínuos (SRAC) e descontínuos (SRAD) (Earis, 1992). Posteriormente, a American Thoracic Association (ATS) e a European Respiratory Society (ERS), através do CORSA, adotaram terminologia similar (Sovijarvi et al., 2000b).
Os SRAC são SR de natureza harmônica, cuja duração é superior a 100 ms (segundo o CORSA) ou maior que 250 ms (segundo a ATS). Estridores, sibilos e roncos são exemplos de SRAC (Sovijarvi et al., 2000b).
Os estridores (stridors em inglês) são SRAC de alta intensidade e frequência - picos entre 500 e 1000 Hz - acompanhados de diversas harmônicas. São gerados pelo fluxo turbulento nas vias aéreas superiores (laringe e traqueia) que sofreram estreitamento, sendo comuns em crianças e bebês (Bohadana et al., 2014).
Os sibilos ou sibilancias (wheezes em inglês) talvez sejam os SRA mais facilmente reconhecidos (Bohadana et al., 2014). Sua forma de onda é basicamente senoidal de longa duração, com frequências mais altas que os roncos. A frequência da fundamental (tom) - superior a 100 Hz - é determinada pela rigidez da via aérea e não pelo seu diâmetro (Sovijarvi et al., 2000b). Acredita-se que os sibilos sejam gerados entre a segunda e a sétima ramificação da árvore pulmonar devido à oscilação das paredes das vias aéreas que sofreram estreitamento. Desta forma, são associados à restrição de fluxo, mas se a redução do fluxo for muito grande (por exemplo, devido a uma obstrução pulmonar grave), pode não haver energia suficiente para gerar os sibilos (fenômeno chamado de “pulmão silencioso”). Podem ocorrer tanto na inspiração, quanto na expiração; constituem-se em indícios de doenças pulmonares obstrutivas,
como asma e DPOC (Bohadana et al., 2014). Quanto maiores as frequências dos sibilos, mais facilmente são detectados na traqueia em comparação ao tórax.
Os roncos (rhonchi em inglês) são sons de alta intensidade gerados pela vibração da região da orofaringe - embora outras estruturas possam estar envolvidas; ocorrem comumente durante o sono, estando associados à apneia do sono e doenças cardiovasculares. Possuem a frequência fundamental entre 30 e 250 Hz (Sovijarvi et al., 2000b).
Os SRAD são sons de curta duração, geralmente inferior a 100 ms; os estertores e os atritos pleurais são seus principais exemplos. Os estertores são considerados os SRAD mais úteis ao diagnóstico devido à sua ocorrência em diferentes enfermidades.
Estertores
Estertores (crackles ou, mais raramente, rales em inglês) são exemplos de SRAD com duração inferior a 20 ms. São também denominados de crepitantes ou crepitações, mas o termo estertor é o mais utilizado no Brasil, sendo assim, adotado neste trabalho (Staszko et al., 2006).
Inicialmente, atribuiu-se a sua geração ao borbulhamento de secreções nas vias aéreas. No entanto, o padrão repetitivo dos estertores em inspirações consecutivas e sua persistência após a expectoração contrariam tal hipótese (Piirila e Sovijarvi, 1995). Atualmente, as teorias mais aceitas assumem que sua origem se deva à dissipação de energia durante a equalização de pressão (Forgacs, 1967), ou ao estresse elástico devido à abertura abrupta de vias aéreas anormalmente fechadas - teoria do quadrupolo de estresse (Fredberg e Holford, 1983).
A forma de onda típica de estertor apresenta uma pequena deflexão inicial, seguida por deflexões com maior magnitude (oscilações) que decaem, posteriormente. Estertores possuem componentes de frequência entre 100 Hz e 2000 Hz (Sovijarvi et al., 2000b), incidindo, principalmente, em pacientes com patologias cardiorrespiratórias; esporadicamente, são verificados em indivíduos saudáveis. São mais detectados durante a inspiração, mas podem ocorrer eventualmente na fase expiratória (Bohadana et al., 2014).
Baseada na percepção acústica durante a ausculta pulmonar, o ILSA (1976) propôs a classificação dos estertores finos (fine, em inglês) e grossos (coarse, em inglês) (Mikami et al,
1987). Os estertores finos têm menor amplitude, menor duração e componentes de frequência mais altas quando comparados aos grossos (Sovijarvi et al, 2000). São geralmente auscultados do meio para o final da inspiração - num padrão similar em ciclos respiratórios subsequentes; são detectados em posições pulmonares específicas, não sendo influenciados pela tosse, mas podem se alterar com a mudança de posição do paciente. Estertores finos são também chamados de tipo velcro, pois são sons semelhantes aos gerados pela separação lenta de duas tiras deste sistema de fixação.
Já os estertores grossos são geralmente verificados no início da inspiração e, ocasionalmente, ao longo de toda a expiração; possuem sons mais graves (componentes de frequência relativamente mais baixas) e com uma estrutura menos repetitiva no decorrer de respirações sucessivas (Bohadana et al, 2014; Sarkar et al., 2015).
Modelos matemáticos sugerem que tal característica acústica dos estertores está relacionada ao local no qual esses sons são gerados: os estertores grossos nas vias aéreas de maior calibre – e mais centrais - e os finos nas estruturas pulmonares menores - e mais periféricas (Fredberg e Holford, 1983). Segundo essa teoria, os estertores finos ocorrem devido à abertura abrupta das vias aéreas periféricas, que estão anormalmente fechadas pela redução da elasticidade em decorrência de algum processo pulmonar fibrótico (Piirila et al., 1991). De fato, os estertores finos são usualmente detectados nas etapas finais do ciclo inspiratório, em locais específicos do tórax, reforçando essa teoria de geração; as vias aéreas mais terminais da árvore respiratória são as últimas a serem infladas.
Os estertores grossos podem ser detectados em todo tórax e mesmo na boca. A ocorrência de estertores no início da fase inspiratória sugere a geração dos sons nas grandes vias aéreas que se tornaram fechadas no final da expiração precedente (Nath e Capel, 1974a). Estes estertores são também auscultados na expiração, embora sejam menos frequentes do que na inspiração (Piirila e Sovijarvi, 1995).
Diversos trabalhos buscaram associar a ocorrência de estertores com enfermidades cardiorrespiratórias. A Tabela 2.1 sumariza as principais características dos estertores observados na fibrose pulmonar idiopática, asbestose, fibrose cística/bronquiectasia, doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC), insuficiência cardíaca (IC) e pneumonia. Mais informações são disponibilizadas no Apêndice A.
Tabela 2.1 – Relação entre doenças cardiorrespiratórias e características dos estertores encontrados (elaborada pelo autor).
Doenças Características dos estertores
Fibrose pulmonar idiopática
Tipo fino. Ocorrem no final da fase inspiratória e na fase expiratória. Repetem um padrão em cada ciclo respiratório (Nath e Capel, 1974b; Piirila e Sovijarvi, 1995; Sovijarvi et al., 2000b; Walshaw et al., 1990). Ocorrem inicialmente nas áreas basais, estendendo posteriormente para zonas superiores do pulmão à medida que a doença progride. Asbestose Tipo fino. Ocorrem no final da fase inspiratória São considerados um dos primeiros sinais
detectáveis desta doença. (Piirila e Sovijarvi, 1995; Nath e Capel, 1974b; Murphy et al., 1984).
Fibrose cística / Bronquiectasia
Tipo grosso. Ocorrem no início e/ou meio da inspiração ou na expiração. Não são muito repetitivos. São devidos à dilatação anormal dos grandes brônquios devido a destruição dos seus componentes elásticos e musculares (Piirila e Sovijarvi, 1995; Sovijarvi et al., 2000b).
DPOC Tipo grosso. Características semelhantes às observadas na bronquiectasia, mas ocorrendo durante um período maior no ciclo inspiratório e também na expiração. São majoritariamente causados pela presença de secreções nas vias aéreas (Piirila e Sovijarvi, 1995; Piirila et al., 1991).
Insuficiência cardíaca
Tipo grosso (ou fino, segundo alguns pesquisadores). Considerados como resultado da abertura de vias aéreas estreitadas pelo edema peribrônquico. Ocorrem do meio para o final da fase inspiratória (Piirila e Sovijarvi, 1995; Nath e Capel, 1974b; Sovijarvi et al., 2000b).
Pneumonia Marginalmente do tipo grosso. Ocorrem no meio ou final da fase inspiratória. Dependem do estágio da doença. Edema e infiltração das células inflamadas no tecido pulmonar podem estreitar os brônquios. Alguns autores consideram os estertores de pneumonia mais finos na fase aguda da doença e tornam-se mais grossos quando a pneumonia está se resolvendo (Piirila e Sovijarvi, 1995; Nath e Capel, 1974b).
Existem SRA que não se encaixam nas categorias descritas. Por exemplo, obstruções brônquicas (como asma) podem ocasionar SR com componentes de alta frequência sem o surgimento de sibilos (denominados de sons bronquiais, captados no tórax com frequências entre 600 e 1000 Hz). Em pacientes com DPOC e enfisema, observa-se uma redução da intensidade dos SR (devido ao menor fluxo de ar) e atenuação das altas frequências (devido à
característica de filtragem passa-baixa do tecido pulmonar danificado pelo enfisema) (Sovijarvi et al., 2000b).
2.4 Ausculta pulmonar e índices quantitativos para a análise de estertores
Se considera que a ausculta pulmonar de SRAD em enfermidades cardiorrespiratórias foi iniciada com a prática médica; no entanto, inicialmente, o examinador colocava o ouvido sobre o tórax do paciente (Bohadana et al., 2014). A invenção do estetoscópio por René Laennec no início do século XIX impulsionou a ausculta pulmonar. Além da invenção deste aparelho, Laennec também publicou uma série de estudos onde descreveu, classificou e relacionou os SR com diversas enfermidades respiratórias (Earis, 1992).
A ausculta pulmonar ainda é uma importante etapa do exame clínico de pacientes, devido à sua praticidade, conveniência e baixo custo. No entanto, esta técnica apresenta limitações devido ao caráter subjetivo do diagnóstico e pela acuidade do sistema auditivo humano, sujeita, por exemplo, à degradação com a idade (Kiyokawa et al., 2001). Além disto, o próprio estetoscópio convencional apresenta sérias limitações associadas à resposta não plana em frequência (Sovijarvi et al., 2000a).
Na década de 1960, Paul Forgacs realizou os primeiros registros eletrônicos de SR de forma sistemática. Para isso, foram utilizados microfones, amplificadores, osciloscópios e gravadores em fita magnética. O objetivo era de superar as limitações da ausculta convencional e visualizar as formas de onda dos sinais de SR (Earis, 1992).
Posteriormente, a tecnologia digital permitiu o registro e a aplicação de técnicas de processamento digital de sinais nos SR através de sistemas microprocessados, aumentando os recursos técnicos para análise.
No entanto, como os diferentes investigadores utilizavam seus próprios sistemas de registro de SR, faltaram especificações técnicas comuns de forma a permitir uma melhor comparação dos seus resultados (Piirila e Sovijarvi, 1995). Visando contornar tal problema, o projeto CORSA (no ano 2000) realizou minucioso estudo para estabelecer recomendações técnicas para os sistemas de ACSR, incluindo especificações dos microfones, amplificadores, filtros eletrônicos e do conversor analógico-digital (ADC) (Vannuccini et al., 2000; Cheetham
et al., 2000). Um resumo das principais recomendações do CORSA para o ACSR será apresentado no próximo capítulo.
No entanto, uma revisão bibliográfica mostra que essas recomendações - as únicas existentes para sistemas de ACSR - não foram amplamente adotadas pelos pesquisadores da área. Esse fato dificulta a comparação dos resultados de investigações e assim, atrasa avanços na área. Além disso, o CORSA não tem sido revisado (nem recebido correções) de forma a incorporar avanços técnicos mais recentes. Por exemplo, algumas recomendações são discutíveis, como o uso do filtro passa-alta (FPA) do tipo Bessel: ao contrário do indicado no estudo, esse tipo de filtro garante resposta de fase aproximadamente linear somente para os filtros passa-baixa (FPB) (Avdeeva et al., 2014).
Como indicado na Tabela 2.1, a ocorrência de estertores está associada à presença de doenças cardiorrespiratórias, as quais alteram a elasticidade e propagação dos SR devido à inflamação ou edema nos pulmões. Como a região afetada e sua extensão é diferente para cada doença, as características dos estertores gerados também são diferentes (Piirila e Sovijarvi, 1995). Essa diferenciação é verificada subjetivamente através da ausculta pulmonar, mas índices quantitativos vêm sendo propostos na literatura com o objetivo de tornar o diagnóstico clínico a partir de estertores menos dependente da experiência do examinador.
Dentre os índices propostos, aqueles baseados na forma de onda são os mais referenciados na literatura; são eles (Figura 2.4): a duração da primeira deflexão (IDW - Initial
Deflection Width), a duração dos primeiros dois ciclos (2CD - Two-Cycle Duration) e a largura
da maior deflexão (LDW - Largest Deflection Width). A medição destes índices (domínio do tempo) constitui-se na denominada “análise da forma de onda expandida no tempo” (TEWA de
Time-Expanded Waveform Analysis) (Murphy et al., 1977).
Tanto a ATS quanto o ERS (através do CORSA) sugeriram a utilização do índice 2CD para classificar o tipo de estertor como fino ou grosso. No entanto, essas sociedades discordam quanto aos valores utilizados como referência. A ATS estabeleceu a classificação de estertores finos como aqueles que possuem 2CD menor que 5 ms; para os estertores grossos, o índice deve ser aproximadamente 10 ms (ATS, 1977). No entanto, a ATS não determinou as características do sistema de registro em que os SR devem ser captados. Já o CORSA propôs que, para os
estertores captados com dispositivos que atendam às especificações técnicas que recomenda, os estertores finos possuem 2CD < 10 ms e os grossos 2CD > 10ms (Charbonneau et al., 2000).
Figura 2.4 – Forma de onda típica de um estertor (u.a. = unidade arbitrária), com os intervalos temporais correspondentes aos índices IDW (Initial Deflection Width), LDW (Largest Deflection Width) e 2CD (Two-Cycle Duration) (modificado de Charbonneau et al., 2000).
Nas Tabelas 2.2 a 2.5 são apresentados os principais índices propostos na literatura para caracterizar estertores, incluindo os comentados anteriormente. Eles foram classificados de acordo com os seguintes critérios de análise: domínio tempo (Tabela 2.2), domínio frequência (Tabela 2.3), domínio tempo-frequência (Tabela 2.4) e outras análises (Tabela 2.5).
2.5 Fatores que afetam a análise de estertores
Apesar do grande número de índices propostos para caracterizar estertores (Tabelas 2.2 a 2.5), não há critérios consolidados para quantificar a subjetividade do examinador que auxiliem o diagnóstico. Isso se deve, em parte, à qualidade dos SR captados sobre a superfície do tórax. A alteração do conteúdo de frequência dos estertores impacta na morfologia, dificultando a associação dos índices investigados às diferentes doenças cardiorrespiratórias
Desde a geração nos pulmões até o seu registro, os estertores podem ter seu conteúdo espectral modificado devido a vários fatores. Dentre os principais, cita-se: (1) superposição de
outros sons captados pelo microfone; (2) atenuação das componentes de maior frequência pelo tórax; (3) atenuação das componentes de menor frequência causada pelo FPA do sistema de aquisição.
Tabela 2.2 – Índices de estertores baseados no domínio do tempo, também chamada de Time-Expanded
Waveform Analysis - TEWA) (elaborada pelo autor).
Índice Fonte
Quantidade de estertores por ciclo respiratório Epler et al., 1978 Largura da deflexão inicial (IDW) e duração de dois ciclos (2CD) Holford, 1981 Polaridade da maior deflexão da forma de onda Matsuzaki, 1985 Largura da maior deflexão (LDW) Hoevers e Loudon, 1990 Duração total ou largura total de deflexão (TDW de Total Deflection Width) Piirila et al., 1991 Parâmetros do modelo de estertores como exponenciais amortecidas - Método de
Prony
Buruk et al., 1998
Lacunaridade Hadjileontiadis, 2009 Estatísticas de intervalos de forma de onda Orihashi et al., 2006 Diversas características da distribuição temporal e espacial dos estertores, como
quantidade de cruzamentos por zero, períodos diversos e suas relações, variabilidade do meio-período, amplitude, relação de amplitudes, variabilidade das amplitudes e polaridade
Fliestra et al., 2011
Tabela 2.3 – Índices de estertores baseados no domínio da frequência (elaborada pelo autor).
Índice Fonte
Frequência de pico pela transformada discreta de Fourier (DFT) Munakata et al., 1991 Frequência máxima pela DFT (amplitude com -20 dB da frequência de pico) Munakata et al., 1991;
Piirila et al., 1991 Coeficientes Mel-Cepstrais Bahoura e Pelletier, 2003 Largura banda gaussiana da DFT (largura de banda entre os pontos a -3 dB da
frequência de pico)
Lu e Bahoura, 2006
Tabela 2.4 – Índices de estertores baseados no domínio do tempo-frequência (elaborada pelo autor).
Índice Fonte
Frequência Instantânea Média (pela Transformada de Hilbert Huang) Li e Du, 2005 Frequência Máxima (pela pseudo distribuição discreta de Wigner-Ville) Ponte et al., 2013 Energia de segmentos (pela Transformada de Hilbert Huang) Chen et al., 2014
Tabela 2.5 – Índices de estertores baseados em outras análises (elaborada pelo autor).
Índice Fonte
Distribuição da energia pela transformada wavelet Du et al., 1997 Análise Discriminante por Cruzamentos de Ordem Superior Hadjileontiadis, 2003 Coeficiente de transmissão (ou espalhamento) do estertor Vyshedskiy et al., 2005 Relação entre frequência máxima e mínima, autovalores obtidos pela Singular
Spectrum Analysis
Içer e Gengeç, 2014
2.5.1 Superposição de outros sons
Durante a aquisição através de microfones, outros sons interferentes (fisiológicos ou não) encontram-se sobrepostos aos estertores, alterando seu conteúdo espectral.
Os SRN são os principais sons fisiológicos interferentes, pois estão geralmente presentes ao longo da captação de estertores com frequências de até 200 – 250 Hz, sobrepondo-se às componentes de mais baixa frequência dos estertores (Sovijarvi et al., 2000b). Os SRN podem também ter alta amplitude relativa quando comparados aos estertores, dificultando (ou mesmo impossibilitando) a sua identificação, contagem e caracterização através de índices quantitativos (Yeginer e Kahya, 2007). Kiyokawa et al. (2001) mostraram que a sobreposição de diferentes níveis de SRN em estertores simulados modificam severamente as avaliações subjetivas de examinadores por meio da ausculta pulmonar. Yeginer e Kahya (2008), baseados em princípios da psicoacústica, sugerem que os estertores devam possuir potência acústica 20 dB acima dos SRN para que possam ser claramente percebidos por especialista humano. Assim, a remoção dos SRN de registros de estertores é de fundamental importância para a obtenção de informações consistentes, sendo objeto de estudo de pesquisadores (Hadjileontiadis e Panas, 1997).
Devido à intersecção espectral de estertores e SRN, filtros lineares não permitem atenuar completamente os SRN nos registros (Sovijarvi et al., 2000b). Yeginer e Kahya (2007)