Medição da Temperatura das Articulações da Coluna Vertebral

Medição da Temperatura das
Articulações da Coluna Vertebral
Roger Calixto1 e Alexandre Balbinot2
1
Mestrando no Heritage Medical Research Centre, Dept. Biomedical Engineering
University of Alberta, Canada
2
Faculdade de Engenharia Elétrica
Universidade Luterana do Brasil (ULBRA), Brasil
Universidade de Caxias do Sul (UCS), Brasil
Resumo – Dor na região das costas é um problema considerável de saúde e de economia em qualquer
país. Um método utilizado amplamente pelos profissionais formados em Quiropraxia é o de Gonstead. Este
método é baseado na dissipação de calor das articulações da coluna vertebral como um indicativo de
luxações vertebrais facilitando a localização da região com inflamação. O sistema desenvolvido para
medição da temperatura das articulações da coluna vertebral, caracteriza-se pelo baixo custo e por fornecer
uma solução digital para utilização clínica. O sistema consiste de uma matriz de sensores controlados por
um multiplexador e digitalizados por um conversor analógico para digital (A/D ou ADC). O interfaceamento
deste sistema foi implementado via porta paralela utilizando-se o PC como sistema de processamento dos
dados adquiridos. O programa de processamento e de aquisição dos dados foi desenvolvido em C++ para
Windows 98.
Palavras-chave: dores na coluna vertebral, Diagnóstico de Gonstead, luxações vertebrais, temperatura.
Abstract - Back pain is one of the leading health problems that the general population faces. One method of
treatment is with a Doctor of Chiropractic whom, amongst other diagnostic methods, may use Gonstead
diagnostics. Gonstead diagnostics use heat dissipation from the articulations of the spinal column as
indications of vertebral luxation or pinched nerve syndrome. By comparing bi-laterally the temperature of the
articulation it is possible to indicate where inflammation resides and act as an auxiliary to the diagnostic
procedure. The system here presented was developed for this purpose with cost effectiveness in mind. We
sought to provide a digital solution, (the analog solution is still in use) yet not as expensive as the current
infrared technologies, for the budgeted clinic. The system consists of an array of temperature sensors
controlled by a multiplexer and digitalized by an A/D. Using the parallel port, connectivity to the PC was
successfully achieved passing on the acquired data to the program developed in C++ for Windows 98.
Key-words: Back pain, Gonstead diagnostics, vertebral luxation, temperature.
Introdução
A ciência tem procurado avaliar a resposta do
corpo
humano
às
lesões,
doenças
e
malformações
congênitas.
Entre
essas
observações encontra-se a notável diferença
térmica gerada por lesões corporais que
caracterizam um processo inflamatório localizado
na área da agressão. Normalmente este processo
inflamatório é gerado por uma hiper-irrigação
sangüínea local, causando uma elevação
localizada da temperatura denominada de
hipertermia.
O
conhecimento
da
distribuição
da
temperatura corporal é necessário para diversos
estudos fisiológicos e clínicos, porém pela não
uniformidade
deve
ser
caracterizada
cuidadosamente e estar relacionada ao pleno
conhecimento de como o corpo humano responde
a fatores ambientais. Considerando-se condições
ambientais neutras de 28°C a 30°C e 40% a 60%
de umidade relativa, a temperatura interna do
corpo humano TC é de aproximadamente 37°C,
em um sujeito saudável, nu e em repouso.
Portanto, para interpretar corretamente estes
dados é necessário o conhecimento dos fatores
físicos e fisiológicos relacionados à temperatura a
ser medida. Além disso, um sistema ideal de
medição de temperatura deve satisfazer algumas
condições, dentre elas destacam-se:
Ser preciso para monitorar temperaturas
associadas com a febre;
Fornecer uma temperatura local não
influenciável pelas mudanças de temperatura
em áreas distantes do corpo, como por
exemplo, nos membros inferiores ou
superiores;
Ser estável depois da sua calibração;
Ser pequeno e de forma apropriada para
onde será usado;
Ser simples de operar.
A coluna vertebral, devido à má postura,
quedas e impactos pode sofrer desvios dos seus
eixos normais, lesionando, por exemplo, suas
articulações. De acordo com Gonstead, as áreas
lesionadas
sofrem
uma
inflamação
e
conseqüentemente um aquecimento localizado,
ou em casos crônicos, queda na temperatura
localizada (Gregory, 1993). Cabe ressaltar que a
temperatura do corpo humano é uma das
variáveis fisiológicas rigorosamente controladas e
um dos quatro sinais vitais usados na
monitoração dos pacientes. A temperatura interna
do corpo é constantemente regulada ao redor de
37 ± 0,5°C em uma pessoa saudável, portanto, a
temperatura elevada é um sinal de doença ou
infecção. Existem duas áreas distintas no corpo
humano onde a temperatura é medida
rotineiramente: na superfície da pele e em
cavidades do corpo humano, como por exemplo,
na boca ou no reto. Os dois dispositivos mais
utilizados para estas medições são os termistores
que necessitam de contato com a pele ou o tecido
e termômetros que não necessitam de contato,
pois medem a temperatura do corpo humano
principalmente através do canal auditivo.
Em função da importância deste parâmetro
físico na saúde humana, este trabalho propõe a
criação de uma interface termosensível,
inicialmente de baixo custo, para auxiliar no
diagnóstico
de
subluxações
vertebrais,
aperfeiçoando a precisão do diagnóstico da
técnica denominada de Gonstead1.
-
A Coluna Vertebral
A coluna vertebral é composta de ossos
chamados de vértebras cuja função é proteger a
medula espinal, sustentar a cabeça e fixar as
costelas e músculos do dorso (Tortora, 2000).
Com relação à biomecânica funcional existem
poucos estudos sobre o comportamento da
coluna vertebral em pessoas vivas. O primeiro
estudo para determinar a carga que o disco
recebe, em pessoas vivas, foi desenvolvido por
Nachemson em 1975. Neste estudo, foi colocado
um transdutor no núcleo pulposo e seus
resultados indicaram que a carga nos discos L31
Técnica normalmente utilizada pelo especialista em
Quiropraxia (Chiropractic) que, por definição, é a ciência que
se preocupa com o relacionamento entre estrutura,
primariamente da coluna vertebral; a função, primariamente
do sistema nervoso e o que pode afetar a restauração e
preservação da saúde (Council on Chiropractic Education,
1984). Esta técnica utiliza a comparação pontual de calor
(denominado de pontos quentes devido ao excesso palpável
de calor localizado) nas articulações vertebrais como
indicativo de inflamação e contração muscular protetora
(causada pela distensão da musculatura) indicando desvio
vertebral.
L4, da coluna lombar, é maior na posição
sentada. Cabe ressaltar que a tolerância à fadiga
do disco não é conhecida em pessoas vivas e
que novos estudos experimentais e de simulação
precisam ser realizados.
Segundo Kostuik (1984) dores na coluna
vertebral (termo usado para relacionar a dor na
coluna que não está diretamente ligada a
infecções, tumores, doenças sistêmicas e
fraturas) ocorrem com maior freqüência na região
lombar, seguido da cervical e com pequena
incidência na torácica. O estudo clássico de
Melzack et al. (1987) procurou caracterizar a dor
e quais fatores habilitam ou bloqueiam a
transmissão da dor ao tálamo. Porém as causas
exatas que ocasionam as dores na coluna
vertebral permanecem desconhecidas.
Considerando-se
que
mecanismos
biomecânicos atuam como agentes causadores
das dores nas costas, provavelmente fornecem
alguns estímulos especializados. Movimentos
anormais, forças e vibrações em doses elevadas
e repetitivas podem ser considerados como
estímulos iniciais à geração de desordens na
coluna vertebral. Esses estímulos podem causar
processos
inflamatórios
ocasionando
provavelmente danos aos tecidos e podendo
resultar em mudanças estruturais (por exemplo,
rupturas de ligamentos) e/ou mudanças
bioquímicas na região.
Medição da Temperatura Corporal
Os dois tipos de transdutores mais utilizados
na área clínico-hospitalar são os termistores e os
dispositivos formados por junções de estado
sólido (junção pn).
Evidentemente existem outros transdutores
para medição de temperatura, como por exemplo,
termopares, termômetros de resistência metálica,
termômetros de vidro e etc, porém os
transdutores descritos anteriormente são os mais
utilizados na área clínico-hospitalar. Nos últimos
anos, a termografia tem apresentado grande
utilidade e interesse, porém seu custo ainda é
inviável para muitas clínicas. Esta técnica utiliza o
princípio da radiação superficial dos corpos,
sendo, portanto um método sem contato físico.
Para objetos em uma sala, o espectro
eletromagnético é predominante na faixa do
infravermelho e a radiação emitida pelo corpo é
dada pela Lei de Planck multiplicada pela
emissividade do corpo.
As medições na área clínico-hospitalar
podem ser divididas em dois tipos: medições não
invasivas e invasivas. As principais localizações
das medições invasivas são a oral (termômetro
posicionado no bolso sublingual, amplamente
utilizado em clínicas e com valores próximos da
temperatura interna do corpo humano), nas axilas
(medição com resposta lenta e não recomendada
para uso clínico em função da baixa precisão
quando comparada as medições no reto, na boca
e no canal do ouvido), na membrana timpânica
(canal do ouvido) e na superfície do corpo
(método empregado para avaliar a temperatura
externa do corpo). As principais localizações das
medições invasivas são no reto (método com boa
precisão para representar a temperatura interna
do corpo humano e amplamente empregado em
estudos fisiológicos e clínicos), no esôfago
(resposta rápida e com boa precisão, porém
pouco utilizado em função da dificuldade de
posicionamento do termistor ou termopar), na
artéria pulmonar (procedimento de risco médio e
uso limitado a situações especiais) e na bexiga
urinária (método em desuso em função da baixa
precisão).
Procedimento experimental
Os
componentes
utilizados,
para
o
desenvolvimento do protótipo, foram selecionados
em função de três fatores básicos: características
elétricas, custo/benefício e disponibilidade no
mercado. O fluxograma do sistema experimental
pode ser visualizado na Figura 1 cujos
componentes básicos são:
Para o sensoriamento da temperatura, por
contato, foi implementada uma matriz de 16
termistores linearizados para escala °C com
pinos de entrada isolados termicamente;
Um cabo flexível do tipo flat cable de 50 vias
interligando a matriz de sensores ao restante
do circuito;
Um barramento de seleção analógico
implementado
através
de
dois
multiplexadores fazendo parte também latchs
de 8 bits para disponibilizar adequadamente
os dados, desta forma, evitando conflitos na
entrada e saída do sistema;
Amplificadores operacionais para condicionar
o dado (a temperatura) a ser digitalizado;
Um programa de aquisição, tratamento e
visualização das informações adquiridas
desenvolvido na linguagem de programação
Visual C++.
O sistema é composto por uma interface de
leitura pontual, de dezesseis pontos ao longo da
coluna vertebral do paciente (o posicionamento
da matriz de sensores é realizado por profissional
habilitado da área da saúde), ajustada à
sensibilidade necessária da faixa de temperatura
superficial da pele humana. A leitura, de até oito
vértebras simultâneas, é digitalizada de forma a
ser
interpretável
por
um
sistema
microprocessado, que por sua vez, recolhe os
dados transmitidos. Estes dados são processados
formando uma imagem dos pontos de calor ou
das temperaturas com a devida localização da
medida para ser interpretada pelo profissional da
área da saúde. A imagem é composta por uma
gama de cores, sendo cada cor associada a uma
faixa específica de temperatura.
Figura 1. Fluxograma do sistema desenvolvido.
Cabe ressaltar que quando o sensor entra em
contato físico com o corpo do paciente, é
aquecido pela condução do calor proveniente do
corpo. Durante o processo de condução as
moléculas na extremidade quente aumentam a
intensidade de suas vibrações à medida que a
temperatura desta extremidade aumenta. Quando
colidem com as moléculas vizinhas, transferem
parte de sua energia, de modo que a temperatura
aumenta em pontos cada vez mais distantes da
extremidade quente, assim sendo, a energia do
movimento térmico passa de molécula a
molécula. Optou-se por sensores estáticos e não
deslizantes,
pois
sensores
deslizantes
apresentam maiores erros de leitura relacionados
a termodinâmica de contato. Ao deslizar o sensor
pela pele do paciente, a junta receptora, por
exemplo, de um termopar, é aquecida à
temperatura da pele, porém a leitura é alterada ao
longo da medição com a fricção e a vasodilatação
cutânea.
Os
sensores
posicionados
estaticamente sobre a pele do paciente
apresentam melhor resposta quando comparado
aos sensores deslizantes, porém os melhores
resultados relacionados a precisão da medida
seriam obtidos por métodos sem contato, por
exemplo, com o uso de um termógrafo
(US$15.000,00 a US$40.000,00) mas com custo
elevado quando comparado ao deste trabalho.
Estrutura básica do programa de aquisição,
tratamento e visualização dos ensaios
A
metodologia
empregada
no
desenvolvimento do pacote computacional do
sistema experimental foi baseada nas técnicas
descritas por Rezende (1999) e caracteriza-se
resumidamente pelas seguintes etapas:
a) Desenvolvimento de um sistema de
auxílio
ao
diagnóstico
médico,
possibilitando
a
visualização
e
armazenamento dos dados necessários
para o diagnóstico da técnica Gonstead,
obtendo a temperatura superficial da pele
humana. Seus principais requisitos
funcionais são:
- controle do dispositivo externo
(hardware) pela porta paralela
bidirecional (protocolo ECP/EPP) do
microcomputador;
- armazenamento local dos dados
adquiridos em formato bitmap;
- acesso e visualização dos dados
previamente armazenados, usando
faixa de cores que corresponde a
temperatura
disponibilizada
pelo
dispositivo externo. O sistema está
calibrado
para
as
faixas
de
temperatura da pele humana na área
da coluna vertebral, não podendo ser
utilizado para temperaturas abaixo de
25°C nem acima de 35°C.
b) Principais impactos positivos do sistema
experimental:
- aumento
da
confiabilidade
do
diagnóstico;
- análise visual dos dados adquiridos
permitindo demonstrar ao paciente
seu estado e o acompanhamento do
tratamento
permitindo
identificar
melhorias, problemas novos e
subluxações crônicas;
- sistema portátil, de fácil manuseio e
econômico;
- sistema preciso quando comparado
com
métodos
anteriormente
utilizados;
c) Principais impactos negativos do sistema
experimental:
- aumento do tempo de atendimento ao
paciente;
- necessidade de um computador na
sala de tratamento;
- sujeito a variações de técnica
(necessidade de treinamento para
sua correta utilização);
- sensores e amplificadores devem ser
atualizados tecnologicamente.
Desconsiderando-se o termógrafo em função
do seu custo, o procedimento mais usado
caracterizava-se pela operação manual, por
exemplo, com o equipamento Neurocalimeter
para diagnóstico dos pontos quentes. Portanto o
sistema desenvolvido apresenta pontos positivos
interessantes para sua utilização efetiva nesta
técnica.
d) Projeto lógico do sistema: a execução
inicial
do
sistema
depende
das
informações obtidas do usuário (Figura
2). Inicialmente o software diferencia uma
nova digitalização de uma antiga. Para o
caso de uma digitalização existente basta
indicar o arquivo que o mesmo será
convertido na correspondente imagem.
No caso de uma nova digitalização, são
obtidas as especificações fornecidas pelo
usuário e o hardware é inicializado. Antes
da aquisição dos novos dados é
implementado um delay (atraso) para
permitir a estabilização da temperatura.
Após a estabilização da temperatura, os
sensores
são
endereçados
individualmente e seus resultados
armazenados. O passo final é a
montagem da imagem com os dados
adquiridos e tratados pelo programa.
Figura 2. Execução inicial do sistema.
Para garantir a precisão do sistema é
necessária sua calibração que é realizada através
da função calibrar da tela principal do programa.
Se a calibração não for executada antes do uso
do sistema, um erro aparecerá solicitando a
realização da mesma. A calibração deverá ser
feita em um ambiente fechado, sem movimentos
bruscos do ar, com a temperatura ambiental
estável entre 27°C e 34°C. Para sua comodidade,
o sistema já vem calibrado, como pode ser
verificado pela existência do arquivo calibra.cal na
pasta de instalação do sistema. Caso seja
necessário calibrar novamente o sistema, basta
clicar no botão referente, da tela principal.
Para a realização de um novo scan é
importante seguir os seguintes passos na ordem
apresentados.
a) posicionamento dos sensores nas
articulações vertebrais do paciente;
b) informar a primeira vértebra do scan e o
número de sensores utilizados na tela
principal;
c) clicar no botão Novo Scan;
d) aguardar a montagem da imagem;
e) descartar ou salvar a imagem conforme a
sua necessidade.
O maior tempo ocupado pela montagem da
imagem deve-se à estabilização da temperatura
derivada dos sensores. O sistema irá aguardar os
sensores aquecerem a temperatura cutânea
antes de montar a imagem, conforme exemplo da
Figura 3 que contém as seguintes informações:
referência da área scaneada, um círculo
representando cada sensor e a diferença de
temperatura entre os lados da articulação. Note
que a referência de temperatura é calculada
subtraindo a temperatura do lado atual da
temperatura do lado oposto (da mesma
articulação). Conseqüentemente valores positivos
são temperaturas mais quentes e valores
negativos são temperaturas mais frias. A tela de
imagem está quebrada em quatro partes:
1. Referência da área do scan;
2. Referência de cores para temperatura;
3. Representação de sensores;
4. Diferenças de temperatura.
Figura 3. Tela exemplificando um dos resultados.
Resultados e Discussões
Este sistema está em processo de utilização
no auxílio ao diagnóstico de anomalias térmicas
unilaterais para indicação de subluxação ou
fixação vertebral. Com relação à avaliação do
sistema experimental implementado, cabe
salientar alguns erros inerentes ao sistema
experimental:
1. alimentação do sistema: o regulador de
tensão utilizado apresentou uma variação
de tensão de saída compatível com os
dados fornecidos pelo fabricante, ou seja,
uma variação da ordem de 0,01V.
Constatou-se
um
funcionamento
satisfatório, tanto na estabilidade da tensão
de saída quanto na durabilidade do sistema
com fornecimento de tensão por bateria;
2. matriz de sensores: segundo dados do
fabricante, os sensores apresentam um
erro de ±0,1mV, porém na sua utilização os
mesmos
apresentaram
erros,
em
temperatura ambiente de 24°C sem
movimentação do ar, na faixa de 10mV,
gerando portanto uma variação de até 1°C.
Este erro é aceitável, pois o objetivo era
desenvolver um sistema de baixo custo e
que pode ser sanado com a utilização de
sensores de valor elevado com o
correspondente circuito condicionador.
Porém a variação dos sensores pode ser
descartada, pois o sistema experimental
utiliza comparação bilateral da temperatura
articular e a normalização dos sensores
resolveu satisfatoriamente o problema (o
próprio sistema computacional apresenta
uma opção denominada de calibração do
sistema);
3. amplificação dos dados: o sistema de
amplificadores não apresentou nenhum
erro significativo na amplificação da tensão
dos sensores. Com relação a tensão de
referência do conversor analógico para
digital, o erro é desprezível.
Como o objetivo deste trabalho é o
desenvolvimento de um sistema de auxílio ao
diagnóstico o mesmo necessita de exaustivos
testes. Nos últimos meses, o equipamento tem
sido utilizado como ferramenta auxiliar de
diagnóstico e todos os testes apresentaram os
seguintes procedimentos: aquisição dos dados
pelo sistema acompanhado de exames de RaiosX e se necessário por MRI (Ressonância
Magnética). Durante o exame físico o sistema é
utilizado e posteriormente seus resultados são
comparados com os outros exames solicitados ao
paciente.
Os resultados obtidos indicam que o sistema
atingiu as expectativas técnicas, porém o mesmo
necessita de aquisição de novos sensores mais
precisos. Como exemplo, uma paciente do sexo
feminino de 37 anos com queixas de dores
cervicais e torácicas apresentou anomalias
verificadas por Raios-X nas baixas cervicais e
altas torácicas. O scan do paciente, o qual se
iniciou em T2, sinaliza anomalias térmicas
unilaterais (Figura 4) nas articulações de T2, T4 e
T7-T9. Após o exame físico do paciente, feito pelo
especialista, constatou-se que tais vértebras,
além de outras fora da área medida,
apresentavam a patologia de fixação vertebral
com grandes chances de serem subluxações. O
diagnóstico de subluxação ainda não foi
confirmado em função da falta do exame MRI.
Cabe observar que uma das grandes vantagens
deste
método
é
a
possibilidade
de
armazenamento digital da imagem, permitindo a
comparação posterior ao longo do tratamento
desta paciente.
à aquisição de novos sensores, pois os dados
gerados com uma, duas ou mais casas depois da
vírgula não podem ser considerados como
precisos em função dos sensores, porém o
sistema como um protótipo é útil na técnica
descrita neste trabalho. Além disso, o sistema
caracteriza-se por não alterar a temperatura do
local de interesse em função das mudanças de
temperatura em áreas distantes, é estável depois
da sua calibração, é pequeno e de forma
apropriada aos procedimentos de diagnóstico e
simples de operar.
Referências
Figura 4. Scan de estudo de caso.
Conclusões
O
protótipo
desenvolvido
apresentou
resultados satisfatórios, cabendo salientar que o
mesmo continua em processo de melhoramento e
de
utilização
experimental.
Um
dos
aperfeiçoamentos em processo está relacionado
à portabilidade do sistema com o objetivo de
facilitar a sua utilização em diversos ambientes
clínicos e torná-lo independente de um
computador (a nova plataforma será baseada em
palmtops ou sistemas microcontrolados). O
programa desenvolvido e o sistema de aquisição
já estão adequados aos novos sensores que em
breve serão adquiridos, tornando os resultados
mais confiáveis e permitindo a visualização
pontual da temperatura e não somente suas
diferenças par a par, desta forma, possibilitando
um acompanhamento termográfico pontual por
um tempo prolongado. Com relação aos estudos
de casos atualmente em análise, pode-se afirmar
que o sistema está proporcionando informações e
resultados previstos ao especialista da área
médica, permitindo em breve aperfeiçoamentos
relacionados à aplicabilidade, confiabilidade e
qualidade do sistema empregado. Evidentemente
a aplicação futura deste sistema está relacionada
Andersson, G. B. J., Örtengren, A. N., Elfström,
G. “Lumbar Disc Pressure and Myoelectric
Back Muscle Activity During Sitting”,
Scandinaves Journal Rehabilitation Medicine,
pp.: 128-133, 1974.
Gregory, P., 1993. “Textbook of Clinical
Chiropractic: a Specific Biomechanical
Approach”. Baltimore: Williams & Wilkins.
Kostuik, J. P. “Anterior Fixation for Fractures of
the Thoracic and Lumbar Spine with or
without Neurologic Involvement”, Clinical
Orthopetics, pp.: 103-106, 1984.
Melzach, R., Wall, P. “O Desafio da Dor”, Lisboa,
Fundação Calouste Gulbenkian, 1987.
Nachemson, A. L. “Commentary Orthopetics”,
Clinical North American, pp.: 290-296, 1975.
Rezende, D., 1999. “Engenharia de software e
sistemas de informação”. Rio de Janeiro:
Brasport.
Tortora, G. J. “Corpo Humano”, Porto Alegre,
Artmed Editora, 2000.
Webster, John G, 1998. “Medical Intrumentation”,
John Wiley & Sons.
Contato
Roger Calixto: Formado em Engenharia da Computação. Foi
orientado pelo Professor Alexandre Balbinot na graduação
onde desenvolveu este projeto. Atualmente é mestrando na
University of Alberta no Canadá na área da Engenharia
Biomédica. E-mail: [email protected]
Alexandre Balbinot: Doutor em Engenharia – Ênfase
Biomecânica. Professor da Universidade Luterana do Brasil e
da Universidade de Caxias do Sul. Desenvolve pesquisas na
área da Engenharia Biomédica. E-mail: [email protected]