DEVELOPMENT OF A PHANTOM PROJECT OF VASCULAR FLUIDS FOR DOPPLER ULTRASOUND
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ni10202505261100
Millena Victoria Azevedo de Souza1; Fernanda Vastag1; Valéria Alves de Alencar1; Marcia Roberta de Souza Caffeu1; Luiz Carlos da Silva2; Jônatas Cerqueira Dias3; Jeferson Cerqueira Dias4
Resumo
O projeto intitulado “Desenvolvimento de Phantom de Ultrassom com Doppler para Fluidos Vasculares” tem como objetivo a criação de um simulador físico inovador para aplicações em ultrassonografia vascular. A melhoria dos phantoms contribui para o treinamento seguro de profissionais da saúde, validação de equipamentos de imagem e desenvolvimento de novas técnicas diagnósticas. Este trabalho propõe o uso de materiais de baixo custo e fácil acesso, como hidrocarbonetos poliméricos, que apresentam propriedades mecânicas e acústicas compatíveis com tecidos biológicos, garantindo durabilidade e precisão ao simulador. O projeto introduz um sistema dinâmico capaz de replicar diferentes padrões de fluxo vascular — laminar, pulsátil, intermitente, retrógrado e turbulento — com integração eficiente à tecnologia Doppler. O phantom incorpora marcadores metálicos de tamanhos variados, permitindo calibração precisa e avaliação da resolução dos equipamentos ultrassonográficos. Os resultados obtidos e apresentados até o momento indicam que o modelo oferece desempenho satisfatório, funcionando como ferramenta realista e aplicável tanto para treinamento clínico quanto para pesquisas na área vascular. A simulação dos fluxos e a integração com o modo Doppler, destacam-se como diferenciais em relação aos simuladores tradicionais. O phantom desenvolvido demonstra potencial para estabelecer um novo padrão acessível e eficiente em simuladores médicos, com aplicabilidade em centros de treinamento, laboratórios de pesquisa e indústrias do setor médico, contribuindo para a melhoria da qualidade diagnóstica e da segurança do paciente.
Palavras-chave: Phantom, material mimetizador de tecido, ultrassom com doppler, fluxo vascular.
1 INTRODUÇÃO
Phantoms para ultrassom são modelos especialmente desenvolvidos para simular as características mecânicas e acústicas dos tecidos e materiais biológicos que imitam vasos, tecidos e fluídos, sendo amplamente utilizados no treinamento de técnicas e habilidades médicas (GRILLO, 2015; ADUSEI et al., 2023; CABRELLI et al., 2014; DAKOK et al., 2021). Os Phantoms para treinamento em biópsia guiada por ultrassom são modelos desenvolvidos com materiais que imitam as propriedades mecânicas e acústicas dos tecidos biológicos CHATRASINGH et al., 2011). Esses materiais são amplamente utilizados para verificar parâmetros físicos de equipamentos, avaliar a interação de novas técnicas de diagnóstico com tecidos biológicos e auxiliar no treinamento de habilidades em procedimentos intervencionistas, como biópsias, anestesias e cateterismos, e calibração de ultra som (CHATRASINGH et al., 2011; CHENG et al., 2017; SHEN et al., 2019). Para desenvolver Phantoms com grau de precisão adequado, deve-se compreender as propriedades físicas do tecido simulado, os princípios da técnica de imagem empregada e a interação entre ambos. Em trabalhos científicos, a gelatina é frequentemente usada como material base para simular tecidos em modelos para ultrassom e outras modalidades de diagnóstico por imagem (MANDSEN et al., 2005; PAVAN et al., 2012).
Os hidrogeis como o álcool polivinílico (PVA) são empregados para simular tecidos em múltiplas modalidades, destacando-se por sua versatilidade. No entanto, apresentam limitações, como suscetibilidade à desidratação, baixa resistência mecânica e vulnerabilidade a ataques bacterianos, o que restringe sua durabilidade. Uma alternativa promissora para superar essas limitações é a parafina gel, composta por hidrocarbonetos de cadeia longa. Esse material tem demonstrado potencial para imitar tecidos biológicos em diferentes modalidades de imagem, sendo mais durável, resistente e acessível em termos de custo (VIEIRA, 2012).
No estudo de Cabrelli et al. (2014), foram utilizados materiais à base de óleo mineral para a fabricação de Phantoms aplicados à ultrassonografia, evitando os problemas de degradação observados em materiais aquosos. Geis de copolímeros SEBS (estireno-etileno/butileno- estireno) foram confeccionados com concentrações variáveis de SEBS entre 5% e 15%, mantendo uma proporção fixa de polietileno de baixa densidade (PEBD). As propriedades acústicas, como a velocidade de propagação e o coeficiente de atenuação, foram avaliadas usando cinco transdutores planares de imersão com frequências centrais de 2,25 MHz a 10 MHz, por meio da técnica de substituição, utilizando água como referência. A velocidade de propagação acústica nas amostras variou de 1464,1 ± 0,8 m/s a 1477,2 ± 2,0 m/s, enquanto o coeficiente de atenuação apresentou valores entre 0,76 ± 0,13 e 0,95 ± 0,13 dB/cm/MHz. Os resultados indicam que os geis de copolímeros são materiais promissores para a fabricação de Phantoms em ultrassonografia.
O problema de pesquisa que orienta este trabalho está centrado na carência de modelos físicos (phantoms) capazes de simular, de forma abrangente e precisa, as condições hemodinâmicas encontradas nos exames vasculares por ultrassonografia com Doppler. Os modelos nacionais atualmente disponíveis não reproduzem de maneira satisfatória os diferentes padrões de fluxo sanguíneo, como o fluxo contínuo ou laminar, intermitente, pulsátil, retrógrado e turbulento, comprometendo a acurácia dos testes e treinamentos. Soma-se a essa limitação a ausência de phantoms que incorporem marcadores metálicos de diferentes tamanhos, necessários para a calibração dos sistemas de imagem e para a validação da resolução espacial dos equipamentos. Essa deficiência técnica compromete não apenas a formação de profissionais da área da saúde, mas também a validação regulatória e a confiabilidade dos diagnósticos.
A relevância deste trabalho justifica-se pela demanda crescente por soluções nacionais e de baixo custo que atendam às exigências de validação e treinamento em diagnóstico por imagem. Dessa forma, o presente estudo tem como objetivo desenvolver e validar um phantom vascular avançado que integre canais capazes de simular os cinco tipos distintos de fluxo mencionados, além de conter marcadores metálicos estrategicamente posicionados, variando em tamanho, para calibração e aferição da resolução. Parte-se do princípio de que a utilização de materiais adequados e processos de fabricação acessíveis permitirá a criação de um modelo físico que reproduz com maior fidelidade as condições clínicas, elevando a qualidade dos testes em equipamentos de ultrassonografia com Doppler e potencializando a formação técnica e científica.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA OU REVISÃO DA LITERATURA
2.1 Ultrassom
As tecnologias inovadoras no campo do ultrassom portátil estão revolucionando a medicina diagnóstica, tornando os equipamentos mais compactos e acessíveis. Modelos portáteis e de mão estão substituindo gradualmente os sistemas tradicionais baseados em carrinhos, permitindo que o ultrassom seja levado diretamente aos pacientes em locais variados, como áreas rurais, ambientes remotos, zonas de desastres, quartos hospitalares e ambulâncias. Uma das principais inovações é a conectividade sem fio, que elimina a necessidade de cabos, integrando transdutores, formadores de feixe e links de banda larga diretamente na sonda. Essa tecnologia reduz custos, aumenta a flexibilidade operacional e facilita o uso em aplicações emergentes, como sondas 3D, que exigem maior complexidade técnica. Com essas melhorias, o ultrassom portátil está promovendo maior acessibilidade ao diagnóstico por imagem, expandindo seu alcance para novas áreas da saúde e otimizando o atendimento em situações críticas, consolidando-se como uma ferramenta indispensável na prática médica moderna (INIEWISY, 2012).
O ultrassom (US) é formado por ondas mecânicas com frequências superiores ao limite audível pelo ouvido humano, variando de aproximadamente 20 kHz até centenas de MHz (HOBBIE e ROTH, 2007; CAROVAC et al., 2011). Nas últimas décadas, avanços tecnológicos ampliaram as possibilidades de aplicação do US na área médica (CAROVAC et al., 2011; SHIMID-WENDTNER et al., 2008; MAHATME et al., 20015). Uma de suas utilizações mais comuns é no diagnóstico por imagem, em que as propriedades mecânicas do meio, como densidade, atenuação e velocidade de propagação das ondas, são traduzidas em imagens acústicas. Os aparelhos de ultrassonografia clínica são compostos por um computador, um monitor e um transdutor, que emite e recebe ondas ultrassônicas em frequências típicas entre 2 e 15 MHz (ABUD-ZIDAN et al, 2011).
O transdutor, equipado com elementos piezelétricos, gera ondas acústicas ao vibrar sob a aplicação de uma diferença de potencial, criando compressões e rarefações no meio de propagação. À medida que essas ondas se propagam pelos tecidos internos, interações com estruturas de diferentes impedâncias mecânicas resultam na reflexão de parte das ondas irradiadas, fenômeno conhecido como eco. Esses ecos, ao serem captados pelo transdutor, são convertidos em sinais elétricos. Assim, uma imagem B³ de ultrassom pode ser interpretada como um mapa de impedância acústica do tecido analisado (CHRISTENSEN, 1988).
Na ultrassonografia, as imagens são obtidas pela interação de um feixe sonoro pulsado de alta frequência, emitido pelo transdutor, com os tecidos corporais. Quando há variações nas propriedades acústicas do meio, como densidade e elasticidade, ocorre a reflexão e o espalhamento de parte da energia sonora. Essas interações geram ecos que retornam ao transdutor, sendo convertidos em sinais elétricos e processados para formar imagens que representam a distribuição acústica das estruturas internas (PAPALÉO et al., 2019).
2.2 Phantom
Um Phantom é um dispositivo projetado para simular uma ou mais características de estruturas biológicas, sendo utilizado em estudos envolvendo ultrassom como sistema de imagem médica. Para garantir a eficácia dessas simulações, o material do Phantom deve apresentar propriedades acústicas semelhantes às dos tecidos moles biológicos, como a velocidade de propagação acústica, o coeficiente de atenuação e o coeficiente de retroespalhamento. Essas propriedades são importantes para replicar com precisão as interações acústicas típicas dos tecidos biológicos, assegurando a validação de técnicas e a calibração de equipamentos (CABRELLI et al., 2014; MADSEN, 1978).
Materiais à base de água são amplamente utilizados na fabricação de Phantoms para ultrassonografia devido à sua capacidade de replicar com precisão as propriedades acústicas dos tecidos moles biológicos. No entanto, apesar de seu bom desempenho nesse aspecto, esses materiais apresentam limitações significativas, como rápida degradação e baixa estabilidade ao longo do tempo, o que pode comprometer sua durabilidade e aplicação em estudos prolongados (MADSEN, 1978).
A parafina gel, composta por uma rede polimérica dispersa em óleo mineral, tem demonstrado alta eficiência para uso em Phantoms aplicados à ultrassonografia. Esse material se destaca por superar as limitações típicas dos Phantoms à base de água, como degradação acelerada e baixa estabilidade a longo prazo, proporcionando maior durabilidade e consistência em estudos de imagem médica (VIEIRA et al., 2013).
No estudo conduzido por Movahed (2007), é destacado que implantes de silicone em mamas podem interferir nos resultados dos exames de ultrassonografia devido às diferenças de propriedades acústicas entre o material da prótese e os tecidos biológicos circundantes. Essa discrepância reduz a qualidade da imagem obtida, dificultando o diagnóstico preciso. Para contornar esses desafios, o uso de simuladores, conhecidos como Phantoms, tem sido essencial. Esses objetos, projetados para replicar as propriedades acústicas e mecânicas do tecido mamário, permitem análises detalhadas sem a necessidade de expor pacientes. Phantoms são amplamente empregados tanto para calibração e controle de qualidade de equipamentos quanto para o treinamento de profissionais na obtenção de imagens mais precisas, assegurando maior confiabilidade nos resultados (CARVALHO et al., 2005).
2.3 Patologias
O ultrassom terapêutico é amplamente empregado na fisioterapia para o tratamento de condições musculoesqueléticas, graças aos seus efeitos fisiológicos sobre os tecidos biológicos. Entre suas principais aplicações está a produção de aquecimento terapêutico no tecido, sendo recomendada uma faixa de temperatura entre 40°C e 45°C, mantida por cerca de 5 minutos (MERRICK et al., 2003). Esse aquecimento promove benefícios como aumento do metabolismo celular, alívio da dor, redução da rigidez articular e melhora do fluxo sanguíneo na região tratada (PRENTICE et al., 2004).
O exame de ultrassonografia mamária tem se consolidado ao longo do tempo como uma ferramenta complementar indispensável à mamografia na detecção do câncer de mama. Caracterizado pelo crescimento descontrolado de células com alterações genéticas e elevado potencial de invasão, o câncer de mama pode se disseminar para outros tecidos. Devido às limitações inerentes à mamografia, especialmente em casos de densidade mamária elevada, métodos de imagem adicionais, como a ultrassonografia, têm sido amplamente utilizados para melhorar a precisão diagnóstica, contribuindo para uma identificação mais detalhada e precoce da doença (INCA, 2019; CALAS et al., 2007).
O câncer de tireoide é a neoplasia mais frequente na região da cabeça e pescoço, frequentemente investigado após alterações hormonais ou alterações físicas como aumento volumétrico ou alterações palpáveis. O diagnóstico inclui exames de sangue para avaliar o TSH e os hormônios T3 e T4, além de métodos de imagem como ultrassonografia, cintilografia e ressonância magnética. A ultrassonografia, recomendada pela Agency for Healthcare Research and Quality (AHRQ), destaca-se como ferramenta essencial para a avaliação inicial de nódulos tireoidianos, proporcionando imagens detalhadas e possibilitando a utilização de elastografia para análise da rigidez tecidual. Embora métodos de imagem não possam determinar a malignidade de um tumor, eles são fundamentais para identificar riscos e indicar a necessidade de biópsia por punção aspirativa com agulha fina (PAAF). Nesse procedimento, a ultrassonografia guia a coleta em tempo real, aumentando a precisão e segurança do diagnóstico, cuja eficácia depende diretamente da experiência dos profissionais envolvidos (GRILLO, 2015).
2.4 Requisitos
Normas ou especificações que precisam ser atendidas para garantir a conformidade com padrões de segurança, qualidade e eficácia estabelecidos para produtos, processos ou serviços de saúde.
2.5 RDC 751/2022
A RDC 751/2022, publicada pela Anvisa, estabelece o regulamento técnico para a classificação de risco dos dispositivos médicos no Brasil, alinhando-se às normas internacionais, como o MDR europeu e o IMDRF. O objetivo é assegurar que todos os dispositivos médicos sejam avaliados segundo critérios que consideram a complexidade do produto, o potencial de risco ao paciente e o uso pretendido. A norma reforça a necessidade de evidências técnicas e clínicas robustas para suportar a segurança e eficácia dos produtos, além de estabelecer o controle contínuo dos riscos durante todo o ciclo de vida, incluindo a fase pós-comercialização. Assim, a RDC 751/2022 consolida as bases para um sistema regulatório mais robusto, aumentando a confiança do mercado e dos profissionais de saúde nos dispositivos aprovados (ANVISA, 2022a).
O regulamento classifica os dispositivos médicos em quatro classes de risco: Classe I (baixo risco), Classe II (médio risco), Classe III (alto risco) e Classe IV (risco máximo). Essa estratificação é essencial para determinar o nível de exigência documental, as avaliações clínicas necessárias e o rigor dos processos regulatórios. Dispositivos Classe I, como bandagens e instrumentos não invasivos, são submetidos a procedimentos simplificados. Produtos Classe II, a exemplo de cateteres e agulhas, requerem dossiês técnicos mais detalhados. Os dispositivos de Classe III, como válvulas cardíacas, demandam evidências clínicas robustas e controle rigoroso da produção. Já os de Classe IV, que incluem corações artificiais e sistemas de assistência ventricular (VADs), estão sujeitos à máxima exigência regulatória, incluindo validações laboratoriais e clínicas aprofundadas (ANVISA, 2022a).
As 22 regras de classificação definidas na RDC 751/2022 orientam a categorização dos dispositivos com base em critérios objetivos, como a duração do uso (transitório, curto ou longo prazo), a via de administração (invasiva ou não invasiva), e a interação com o organismo (implantável ou ativo). Por exemplo, dispositivos que permanecem mais de 30 dias no corpo ou que administram medicamentos são classificados automaticamente em classes superiores de risco. As regras também consideram se o produto possui função vital para a manutenção da vida, como é o caso de marcapassos e desfibriladores implantáveis. Dessa forma, o modelo regulatório da RDC 751 permite uma classificação proporcional ao risco real do dispositivo, garantindo que produtos mais complexos sejam submetidos a controles regulatórios mais rigorosos, alinhados às normas ISO 13485 e ISO 14971 (ANVISA, 2022a).
2.6 RDC 665/2022
A Resolução da Diretoria Colegiada (RDC) nº 665, de 30 de março de 2022, consolida as bases normativas para assegurar a qualidade, a eficácia e a segurança dos produtos médicos e de diagnóstico in vitro no Brasil. Estruturada em sete capítulos, essa norma técnica fortalece cada etapa da cadeia produtiva, do desenvolvimento até a vigilância pós-comercialização, oferecendo diretrizes essenciais para fabricantes, distribuidores e armazenadores. O Capítulo I delimita claramente o escopo e as definições, alinhando o entendimento sobre as obrigações e o campo de aplicação, o que confere transparência e segurança jurídica ao setor. Já o Capítulo II, ao tratar dos Requisitos Gerais do Sistema de Gestão da Qualidade, destaca a necessidade de um design robusto e funcional dos dispositivos, assegurando que cada produto, como um dispensador de medicamentos, seja desenvolvido e fabricado para um uso seguro e eficaz (ANVISA, 2022b).
No Capítulo III, a RDC reforça os controles aplicáveis às Instalações e Condições Ambientais, garantindo que todo o ambiente de produção e armazenamento mantenha padrões que evitem a contaminação e assegurem a integridade dos produtos. O Capítulo IV, por sua vez, detalha as Boas Práticas Relativas ao Controle de Produção e Qualidade, determinando a validação rigorosa de projetos e processos, com testes que verifiquem a durabilidade, a precisão e a segurança dos equipamentos, evitando falhas como erros de dosagem ou quebras estruturais. O Capítulo V é dedicado ao Controle de Documentos e Registros, promovendo a rastreabilidade total dos processos e assegurando que informações claras e completas, como rotulagem e instruções de uso, estejam sempre disponíveis para os usuários e profissionais de saúde (ANVISA, 2022b).
Seguindo essa lógica de fortalecimento do ciclo de vida dos dispositivos médicos, o Capítulo VI aborda as Boas Práticas de Distribuição e Armazenamento, impondo critérios que mantêm a qualidade do produto até sua entrega ao usuário final. E, fechando o conjunto normativo, o Capítulo VII enfatiza a Vigilância Pós-Comercialização, um diferencial da RDC 665/2022, ao exigir que os fabricantes monitorem o desempenho dos produtos no mercado, recebendo relatos de falhas e promovendo ações corretivas contínuas. Essa abordagem integral, que envolve desde a análise e gestão de riscos até o monitoramento pós-venda, posiciona a norma como um marco para elevar o padrão dos dispositivos médicos comercializados no país, especialmente aqueles voltados para públicos mais vulneráveis, como idosos e pacientes crônicos (ANVISA, 2022b).
2.7 ISO 14971:2019
Para estar em conformidade com a ISO 14971, é importante que produtos de saúde como, dispensadores de medicamentos, sejam analisados quanto ao risco que podem causar na interação com seus usuários no momento da administração dos fármacos. Segundo o anexo D, a norma estabelece os requisitos para o gerenciamento de riscos em dispositivos médicos, ajudando a garantir a segurança e eficácia do produto ao longo de seu ciclo de vida. A ISO 14971 fornece uma estrutura metodológica para identificar, avaliar e mitigar riscos potenciais que possam surgir no uso do dispensador, abordando desde riscos elétricos e mecânicos até a possibilidade de falhas no mecanismo de dispensação ou até em componentes de software embarcado (ISO, 2019).
Em um dispensador de medicamentos, a aplicação da ISO 14971 requer a execução de uma análise sistemática dos riscos associados a cada função do dispositivo. Isso inclui a identificação de possíveis eventos perigosos, como a falha na dosagem correta dos medicamentos, a obstrução dos compartimentos, ou interferências externas que possam comprometer o funcionamento. A norma orienta, no anexo F, sobre o plano de gerenciamento de riscos que contempla ações de mitigação, além de monitorar continuamente os riscos residuais e verificar a eficácia das medidas implementadas (ISO, 2019).
A conformidade com a ISO 14971 não apenas aumenta a segurança dos produtos de saúde, mas também contribui para a confiança do usuário final no produto. Em conformidade com essa norma, fabricantes podem garantir que potenciais perigos foram avaliados e tratados, reduzindo significativamente a probabilidade de erros ou falhas críticas. Dessa forma, a norma ISO 14971 é indispensável para que um dispensador de medicamentos atenda aos requisitos regulatórios e ofereça uma experiência segura e confiável para os usuários, além de estar alinhado com as melhores práticas internacionais em gerenciamento de riscos (ISO, 2019).
2.7.1 Instrução Normativa (IN) n° 96, de 27 de maio de 2021
A Instrução Normativa (IN) n° 96, de 27 de maio de 2021, regulamenta os requisitos sanitários para garantir a qualidade e segurança de sistemas de ultrassom diagnóstico ou terapêutico no Brasil. Publicada pela Agência Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa), a IN substitui a normativa anterior, enfatizando a realização de testes de aceitação e controle de qualidade, essenciais para assegurar o desempenho adequado dos equipamentos e a confiabilidade das imagens geradas (ANVISA, 2021).
Entre as diretrizes principais estão testes obrigatórios, como uniformidade da imagem, resolução axial e lateral, profundidade de penetração, e exatidão de medidas em modos bidimensional e Doppler. Essas verificações devem seguir periodicidades específicas (aceitação, anual ou após reparos) e atender aos limites de tolerância determinados pelo fabricante ou pela normativa. Além disso, os serviços de saúde tinham até dezembro de 2021 para se adaptar aos novos requisitos (ANVISA, 2021).
Essa normativa reforça a necessidade de conformidade técnica e metodológica para proteger pacientes e operadores, promovendo a padronização e a confiabilidade em procedimentos diagnósticos e terapêuticos com ultrassom (ANVISA, 2021).
2.8 CIRCULAÇÃO SANGUÍNEA / VASCULARIZAÇÃO
O sistema circulatório é composto pelo coração e por uma rede de vasos sanguíneos, incluindo artérias, veias e capilares. O coração atua como uma bomba, impulsionando o sangue por todo o corpo. As artérias transportam sangue rico em oxigênio e nutrientes essenciais do coração para os tecidos e órgãos. Por outro lado, as veias levam de volta ao coração o sangue carregado de dióxido de carbono e resíduos. Esse processo contínuo garante o fornecimento de substâncias vitais e a eliminação de produtos metabólicos, mantendo o equilíbrio do organismo. A complexa rede de vasos desempenha um papel crucial na manutenção da vida.
Figura 1 – Sistema Circulatório
2.8.1 Padrões de Fluxo Sanguíneo e suas Implicações Patológicas
O comportamento do fluxo sanguíneo nos diferentes segmentos vasculares é essencial para a manutenção da homeostase hemodinâmica. Alterações no padrão desse fluxo — que pode ser laminar, turbulento, intermitente, pulsado ou retrógrado — estão associadas a diversas patologias vasculares, sendo objeto de estudo em diferentes modelos clínicos e experimentais. O fluxo laminar, considerado fisiológico, é caracterizado por camadas paralelas de sangue movendo-se de forma ordenada. Sua estabilidade está diretamente relacionada à integridade endotelial e à baixa resistência ao escoamento. Em contrapartida, o fluxo turbulento está associado a distúrbios hemodinâmicos, podendo ser induzido por bifurcações arteriais, estenoses ou dispositivos intravasculares. No estudo realizado por Oliveira et al., (2016), utilizando um modelo suíno para avaliar o tratamento de aneurismas saculares da aorta abdominal com triplo stent, foi observada uma modificação no padrão de fluxo, com transição de fluxo laminar para turbulento nas regiões adjacentes aos implantes, o que pode predispor à formação de trombos e à disfunção endotelial (OLIVEIRA et al., 2016).
Fluxos intermitentes e pulsáteis são característicos da circulação arterial, especialmente nos grandes vasos, como a aorta e as artérias carótidas. O comportamento dinâmico do escoamento na bifurcação da carótida foi analisado por Pinto et al. (2021), por meio de simulações computacionais (CFD), evidenciando que a geometria vascular e a bifurcação acentuada são fatores que favorecem o surgimento de regiões de recirculação e de fluxo não-laminar, condições propícias para o desenvolvimento de aterosclerose (PINTO et al., 2021).
Em relação ao fluxo pulsado, Schroeder et al. (2021) investigaram o comportamento do fluxo arterial periférico em pacientes submetidos à cirurgia cardíaca. Os autores identificaram variações significativas no padrão pulsátil do fluxo, tanto no pré quanto no pós-operatório, sugerindo que intervenções cirúrgicas cardíacas podem alterar a perfusão periférica de forma importante, afetando a recuperação hemodinâmica e a cicatrização tecidual (SCHROEDER et al., 2021). Outro tipo de distúrbio, o fluxo retrógrado, é frequentemente observado na chamada síndrome do roubo da subclávia, caracterizada pela inversão do fluxo sanguíneo na artéria vertebral ipsilateral à obstrução subclávia. O relato de caso apresentado por Araujo, (2021) descreve um paciente com sinais clínicos clássicos, como tontura e dor no membro superior, confirmando o diagnóstico por meio de Doppler e angiografia (ARAUJO et al., 2021).
A trombose mesentérica, por sua vez, representa uma condição grave em que a estase do fluxo — que pode decorrer de alterações no padrão laminar para turbulento ou estagnado — contribui para a formação do trombo. A revisão realizada por autores do Brazilian Journal of Health Review descreve de forma abrangente os aspectos fisiopatológicos, diagnósticos e terapêuticos da doença, ressaltando a importância da detecção precoce das alterações hemodinâmicas como estratégia de prevenção (BJHR, 2023).
Dessa forma, é evidente que a compreensão das alterações nos padrões de fluxo sanguíneo é essencial para o diagnóstico precoce e o manuseio adequado de diversas patologias cardiovasculares. As pesquisas demonstram a relevância da integração entre a clínica, a imagem e a modelagem computacional no estudo desses fenômenos.
3 METODOLOGIA
Este trabalho pode ser classificado, em termos de natureza, como uma pesquisa aplicada, pois se trata da busca de solução para um problema real existente (AZEVEDO; ENSSLIN, 2020; BAPTISTA; CAMPOS, 2018). A busca de solução ao problema proposto nesta pesquisa, se utilizou de uma estratégia com duas abordagens: i) uma com a adoção de abstração ampla dos fenômenos da natureza e da sociedade, denominada de “Método de abordagem” e ii) outra de procedimentos, que esclarece acerca dos “Procedimentos técnicos” utilizados (GIL, 2019; MARCONI; LAKATOS, 2017).
Quanto ao método de abordagem, trata-se de uma pesquisa de natureza aplicada, orientada à geração de informações e conhecimentos que podem ser empregados na solução ou melhoria de problemas específicos (GIL, 2019). O método lógico para a formulação das conclusões (processo de raciocínio que conduz à conclusão da pesquisa científica) é de caráter dedutivo (AZEVEDO; ENSSLIN, 2020; DESCARTES, 2018). A aplicação da dedução, na metodologia, segue uma racionalização, uma combinação de ideias, que parte do geral, com a utilização de premissas, que são verdades absolutas, e as evidências em uma relação lógica com a conclusão. Observa-se ainda que, com relação à finalidade da pesquisa, pode-se considerar um trabalho explicativo, pois procura identificar os fatores que determinam, ou até mesmo, que contribuem para compreender causas e efeitos (MARCONI; LAKATOS, 2017).
Por sua vez, com relação aos procedimentos adotados, envolvem diferentes técnicas de coleta e tratamento de dados para a obtenção de informação, sendo as adotadas para este trabalho: a observação; a pesquisa bibliográfica (dados secundários) e a experimental (dados primários). Em termos de procedimentos técnicos, a pesquisa bibliográfica foi realizada através da plataforma de busca Google Scholar. Os termos (descritores) definidos para a pesquisa no motor de busca desta plataforma foram definidos por: “phantom”; “ultrassom”.
O desenvolvimento do Phantom (mimetizador) envolve a definição de um material base (MB), a seleção de materiais capazes de simular diferentes tipos de lesões e a representação de estruturas anatômicas das regiões de tecidos moles vascularizados, como veias, artérias e traqueia (LAUGHLIN et al., 2022). Neste contexto, a água foi utilizada como matéria-prima para o MB, sendo analisadas suas propriedades acústicas, mecânicas e magnéticas em combinação com diferentes agentes de contraste. As composições obtidas foram submetidas a uma avaliação criteriosa, utilizando metodologias padronizadas descritas na literatura, para garantir a precisão e a eficiência do material na simulação das características biológicas e funcionais das estruturas regiões de tecidos moles vascularizados (VIEIRA et al, 2012-a; 2013-b).
3.1 Diagrama de Blocos do Phantom Flow para Ultrassom com Doppler
A Figura 2 ilustra o diagrama de blocos do sistema Phantom Flow desenvolvido para simulação de fluxo vascular em exames de ultrassom Doppler. O sistema integra um circuito fechado onde a bomba impulsiona o fluido através do phantom, simulando diferentes condições hemodinâmicas. O sensor de fluxo monitora em tempo real a taxa do fluido e envia esses dados ao controlador eletrônico. Um display acoplado ao sistema permite ao operador visualizar as informações do fluxo durante a simulação. O transdutor do ultrassom Doppler capta o movimento do fluido dentro do phantom e envia sinais ao equipamento para análise e exibição gráfica dos resultados.
O controlador atua como o núcleo de comando do sistema, recebendo sinais do sensor de fluxo e ajustando a potência da bomba por meio de uma ponte H, que controla a direção e a velocidade do fluxo. O display adicional no bloco do controlador fornece informações de status e seleção entre diferentes padrões de fluxo (representados pelos botões B1 a B5). Este controle permite variar entre fluxos pulsáteis, laminares e turbulentos de acordo com a necessidade do treinamento ou calibração. Os dados coletados pelo ultrassom Doppler são processados e apresentados no display do próprio equipamento médico, fechando assim o ciclo entre simulação, controle e monitoramento. A arquitetura modular permite a fácil substituição ou ajuste dos componentes, favorecendo tanto uso didático quanto aplicações em pesquisa biomédica. A integração entre os blocos garante sincronia entre fluxo mecânico e resposta diagnóstica.
Figura 2 – Diagrama de Blocos do Phantom Flow para Ultrassom com Doppler
3.2 Phantom Flow
3.2.1 Material Simulador de Tecidos Moles – TMM
Para a fabricação do material que imita tecido (TMM), foi utilizado o Ecoflex 00–30, da Smooth- on, Inc., selecionado devido ao seu equilíbrio entre desempenho acústico e a dureza necessária para suportar os microcanais entre os materiais de silicone (ADUSEI et al., 2024). O procedimento envolveu o uso de um recipiente plástico com dimensões de 6 × 5 × 3 cm, cujo maior orifício foi feito a aproximadamente 10 mm do fundo, permitindo a criação de um fantoma ramificado com ramos secundários dispostos em diferentes alturas. Para fabricar um fantoma medindo 5,5 × 5 × 2,5 cm, utilizou-se 50 mL da mistura de silicone, à qual foi adicionada aproximadamente 0,15 g de celulose (Sigma Aldrich) para atuar como dispersor de ultrassom. Após agitação vigorosa para garantir a completa dissolução da celulose, a mistura foi desgasificada em uma câmara de vácuo a –762 mmHg por cerca de 10 minutos, eliminando as microbolhas. A mistura foi então despejada lentamente no molde a partir de um dos cantos, evitando a formação de bolhas de ar, e deixada para curar por aproximadamente 3 horas.
3.2.2 Material Simulador de Sangue – BMM
Segundo pesquisa realizada por Kim et al (2023), para a composição do fluido que imita sangue (BMM), a glicerina foi escolhida devido à sua capacidade de ajustar as propriedades acústicas de acordo com a concentração, permitindo um controle mais preciso das características do fluido. A preparação envolveu a mistura de 50 g de glicerina a 99% com 500 g de água deionizada, resultando em uma concentração de 10% de glicerina. A solução foi agitada a 650 rpm por 30 minutos com o auxílio de um agitador, garantindo a homogeneização do fluido (KIM et al., 2024, p. 4).
3.2.3 Material Simulador de Vasos Sanguíneos – VMM
Os modelos da artéria bifurcada e do cilindro foram impressos utilizando Poliálcool Vinílico (PVA), um polímero principal conhecido por sua solubilidade em água, juntamente com aditivos estabilizantes para melhorar a resistência térmica e evitar degradação durante a extrusão, e plastificantes para aumentar a flexibilidade do filamento. A impressão foi realizada em uma impressora 3D de extrusão Makerbot Replicator 2X (Makerbot, Brooklyn, NY), com fita azul de pintor como superfície de impressão. As temperaturas do extrusor e da mesa de impressão foram ajustadas para 185 °C e 60 °C, respectivamente (LAUGHLIN et al, 2022).
3.3 Diagrama do Circuito Elétrico
O circuito elétrico, conforme Figura 3, desenvolvido para o protótipo, foi baseado em uma plataforma Arduino Uno, configurada para controlar um motor DC, um display LCD 16×2 e um LED indicador. A alimentação do sistema foi realizada por uma bateria de 9V, com proteção contra inversão de polaridade garantida por um diodo. O controle da velocidade do motor é feito por meio de um MOSFET, que atua como uma chave eletrônica, acionada pelos sinais enviados pelo Arduino. Um potenciômetro foi integrado ao circuito para permitir o ajuste manual da velocidade, simulando um sensor de fluxo. As informações sobre o estado do sistema são exibidas em tempo real no display LCD, enquanto um LED vermelho indica visualmente o funcionamento do motor. Os resistores utilizados limitam a corrente elétrica, protegendo tanto o motor quanto o LED. A conexão entre os componentes foi feita diretamente pelos pinos digitais e analógicos do Arduino, permitindo controle preciso e respostas rápidas.
Durante a operação, o Arduino lê continuamente o valor do potenciômetro, processando esse sinal analógico e ajustando a velocidade do motor DC via modulação por largura de pulso (PWM). O MOSFET responde aos comandos do microcontrolador, ligando ou desligando o motor conforme necessário. O display LCD apresenta informações sobre o fluxo, como a presença de variações ou a configuração de fluxo intermitente. Simultaneamente, o LED indicador acende sempre que o motor está em operação, servindo como feedback visual imediato para o usuário. Esse circuito permitiu o controle dinâmico do fluxo de fluido no phantom, essencial para simulações realistas em ultrassonografia Doppler. A arquitetura simples e de baixo custo do sistema garante sua replicabilidade em ambientes de pesquisa e ensino. Os resultados obtidos confirmaram a eficiência do circuito no controle preciso da simulação de padrões de fluxo vascular.
Figura 3 – Diagrama Elétrico do Phantom Flow
3.4 Diagrama Lógico no TinkerCad do Phantom Flow
A Figura 4, apresenta o circuito do sistema de controle do Phantom Flow, projetado em plataforma Arduino UNO, com os componentes dispostos em uma protoboard alimentada por uma bateria de 12V. Este circuito é responsável por acionar e controlar uma bomba peristáltica, simulando diferentes padrões de fluxo sanguíneo no interior de um phantom vascular utilizado em testes com ultrassom Doppler.
No centro do circuito, temos o Arduino UNO, que atua como unidade de controle principal. Ele recebe comandos e regula a velocidade da bomba por meio de sinais PWM. Acoplado ao circuito está um display LCD 16×2, utilizado para exibir informações como o modo de operação ou o nome do sistema (“Doppler Phantom”), facilitando a interface com o usuário. À esquerda da protoboard, vê-se um potenciômetro, que funciona como um controle manual da intensidade do fluxo, permitindo ajustar a velocidade da bomba de forma analógica.
No topo, está representado um motor DC (simbolizando a bomba peristáltica), alimentado pela bateria de 12V e controlado por um transistor NPN (provavelmente TIP120), que atua como chave de potência. Este transistor é acionado pelo sinal de controle vindo do Arduino e permite o chaveamento de cargas mais elevadas, como o motor. Um diodo de flyback está conectado ao motor para proteger o circuito de picos de tensão gerados durante a comutação. Por fim, um resistor de base protege o transistor, garantindo que a corrente de controle não exceda os limites recomendados.
Este conjunto de componentes, trabalhando em sinergia, permite gerar cinco padrões diferentes de fluxo, como previsto no projeto descrito no item 3.5 dos Materiais e Métodos, com controle preciso via microprocessador, essencial para simulações realistas de exames Doppler em ambiente acadêmico e de validação técnica.
Figura 4 – Diagrama do Circuito Elétrico no TinkerCad
3.4.1 Código da Programação do Microprocessador
O código, Tabela 1, programado para o microprocessador Arduino Uno é responsável pelo controle dinâmico de um sistema simulador de fluxo vascular. A programação inicia com a configuração dos pinos conectados ao motor DC, LED indicador e display LCD, além da leitura de um potenciômetro que ajusta a velocidade do fluxo. Utilizando a biblioteca LiquidCrystal, o display mostra alternadamente cinco tipos de fluxo: intermitente, retrógrado, pulsátil, laminar e turbulento, com suas respectivas faixas de velocidade simuladas. A leitura contínua do potenciômetro permite que o código ajuste a rotação do motor em tempo real, utilizando modulação por largura de pulso (PWM). Esse controle preciso é essencial para a simulação fidedigna de condições hemodinâmicas em ambientes de treinamento e pesquisa.
No loop principal, a lógica do código alterna automaticamente as descrições dos fluxos a cada 2 segundos no display, enquanto monitora o valor lido no potenciômetro. Se um valor maior que zero é detectado, o microprocessador calcula a velocidade proporcional para o motor e acende o LED indicador, sinalizando que o sistema está ativo. Caso contrário, o motor e o LED são desligados, garantindo segurança e economia de energia. O uso de comandos como analogRead, analogWrite e digitalWrite permite a interface direta com o hardware, tornando o sistema responsivo e eficiente. Essa programação simples, mas robusta, transforma o Arduino em uma unidade central de controle para simulação biomédica prática.
Tabela 1 – Código da programação do Microprocessador
3.5 Esquema do Projeto em AutoCad
O Esquema do Projeto em AutoCAD do Phantom Flow e Sistema de Controle, conforme Figura 5, ilustra um sistema de simulação hemodinâmica utilizado para testes e calibração de dispositivos ultrassônicos Doppler. O sistema, inicia-se com um reservatório cilíndrico, responsável por armazenar o fluido que será impulsionado ao longo do circuito. Esse fluido simula o sangue em escoamento e retorna continuamente ao reservatório após circular pelo sistema. Em seguida, temos a bomba P-1, que é uma bomba peristáltica conectada ao reservatório por duas mangueiras simétricas, garantindo o fluxo contínuo e controlado. A bomba é acionada por um microprocessador (Arduino Uno), o qual permite configurar até cinco diferentes perfis de fluxo, por um potenciômetro, simulando condições clínicas variadas. Esse controle é feito por meio de um circuito eletrônico alimentado por uma bateria de 12 V, garantindo portabilidade e estabilidade energética durante os ensaios. O sistema eletrônico, também, conta com um display LCD, onde o operador pode visualizar o status da simulação e os parâmetros ajustados para cada fluxo definido.
O fluido impulsionado pela bomba P-1 percorre um phantom de vaso, representado por um tubo, em Álcool Polivinílico (PVA), com entrada de 8 mm de diâmetro e duas saídas, uma de 6 mm e outra de 2 mm, permitindo estudar diferentes geometrias e velocidades de escoamento (LAUGHLIN et al., 2022). Esse tubo está imerso em um material que simula o tecido humano, silicone a base de Polidimetilsiloxano e reticulador de platina, garantindo condições de propagação acústica semelhantes às do corpo humano. Além disso, foram inseridas bolas metálicas de tamanhos variados (30 mm, 20 mm, 10 mm, 2 mm e 1 mm) dentro do phantom. Essas esferas têm como função simular estruturas anatômicas ou corpos estranhos, além de criar interferências no sinal Doppler, enriquecendo a análise da resposta do sistema de ultrassom. O conjunto foi projetado para permitir o estudo do comportamento do fluxo sanguíneo simulado e sua interação com estruturas internas, além da resposta do equipamento de ultrassom frente a diferentes condições de simulação, como variações de diâmetro, obstáculos e velocidades do fluxo.
Figura 5 – Esquema do Projeto em AutoCad do Phantom Flow e Sistema de Controle
3.6 Teste e Validação do Phantom com Ultrassom Doppler
O teste do phantom foi realizado em ambiente de laboratório utilizando um transdutor linear VF 10-5 operando na frequência de 6,2 MHz, ideal para vasos superficiais. Inicialmente, foi ativado o modo 2D e, em seguida, o modo Doppler colorido, acionando o botão “Color”. O preset selecionado foi o de tireoide, por ser pré-configurado para vasos de pequeno e médio calibre. Durante o teste, ajustes foram feitos no ganho, frequência, PRF e filtros para otimizar a visualização do fluxo no phantom. A configuração permitiu distinguir nitidamente os padrões de fluxo simulados, evidenciados pelas cores vermelho e azul na tela do ultrassom.
Os parâmetros técnicos foram cuidadosamente ajustados para equilibrar a resolução, a sensibilidade e a estabilidade da imagem. Por exemplo, o PRF foi mantido em 1563 Hz, adequado para fluxos moderados, enquanto o filtro de parede foi mantido em nível baixo (Filter 1) para captar fluxos lentos sem ruído excessivo. Outros ajustes incluíram prioridade de cor (Priority 4), suavização (Smooth 2), e modo de fluxo médio (Flow M), garantindo equilíbrio entre detalhes e estabilidade. A taxa de atualização foi fixada em 13 fps, suficiente para visualização sem perda de detalhes. A barra de cores lateral auxiliou na interpretação da direção e velocidade do fluxo, enquanto os índices térmicos e mecânicos foram mantidos dentro dos limites seguros. Esse conjunto de parâmetros otimiza a performance do ultrassom na simulação com o phantom.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES OU ANÁLISE DOS DADOS
É a principal parte do artigo que contém a exposição ordenada do assunto tratado. Pode se dividir em seções e subseções, que variam em função da abordagem do tema e do método.
4.1 Resultado de Calibração do Doppler para Ultrassom com Turbulência
A Figura 6 apresentada, refere-se a um exame Doppler colorido realizado com o equipamento SIEMENS ACUSON NX3, evidenciando o fluxo simulado dentro do phantom vascular desenvolvido. A região de interesse (ROI), demarcada em verde, delimita a área onde ocorre a análise hemodinâmica. O vaso artificial é claramente visualizado no centro da imagem, com a codificação de cores representando a direção e a velocidade do fluxo. Tons de vermelho e alaranjado indicam fluxo na direção do transdutor, com intensidades crescentes sugerindo aumento de velocidade. Já o azul representa fluxo afastando-se do transdutor, sendo que tons mais claros indicam maior velocidade. As cores verdes e as transições cromáticas apontam para regiões de turbulência, provocadas por obstáculos internos como as esferas metálicas de diferentes tamanhos inseridas no phantom. A escala lateral demonstra que o sistema opera com velocidades de até 9,8 cm/s, compatíveis com simulações de vasos periféricos. A presença de padrões laminares e turbulentos confirma a complexidade do modelo proposto. Dessa forma, a imagem valida a capacidade do phantom em reproduzir com fidelidade diferentes comportamentos do fluxo sanguíneo, tornando-se uma ferramenta eficaz para treinamento e calibração de equipamentos de ultrassonografia Doppler.
Figura 6 – Ultrasound Doppler de Fluxo Turbulento
4.2 Resultado de Calibração do Doppler para Ultrassom com Fluxo Laminar Esquerdo
A Figura 7, obtida com ultrassom Doppler colorido, no equipamento SIEMENS ACUSON NX3 demonstra a eficácia do sistema Phantom Flow em simular um fluxo sanguíneo unidirecional e estável. A coloração azul homogênea, da esquerda para direita, dentro do vaso indica que o fluido se afasta do transdutor, com ausência de turbulência ou refluxo, evidenciando um perfil de fluxo laminar. A velocidade registrada de 5,9 cm/s, conforme escala lateral, está dentro dos parâmetros esperados para simulações controladas. A nitidez da imagem e a delimitação clara das paredes do vaso revelam boa calibração do sistema, incluindo a bomba P-1 e o controlador microprocessado. O phantom responde de forma realista, com fluido e material adequados para reprodução de exames clínicos. O funcionamento do sistema confirma a eficácia na geração de diferentes padrões de fluxo, essenciais para treinamento e validação. A ausência de distorções causadas por bolhas ou interferência das esferas metálicas mostra estabilidade. Assim, o exame comprova o sucesso do projeto em oferecer uma simulação precisa e confiável.
Figura 7 – Ultrasound Doppler de Fluxo Esquerdo
4.3 Resultado de Calibração do Doppler para Ultrassom com Fluxo Laminar Direito
A Figura 8 apresentada, mostra um exame Doppler colorido realizado com o equipamento SIEMENS ACUSON NX3, aplicado ao Phantom Flow, evidenciando um fluxo laminar em um vaso artificial simulado. A área destacada em vermelho corresponde à região de interesse (ROI) para análise do fluxo, indicando um comportamento estável, sem sinais de turbulência. A uniformidade da coloração vermelha revela um fluxo unidirecional bem definido, compatível com uma calibração adequada do sistema Doppler, incluindo parâmetros como ganho, filtro de parede e escala de velocidade (PRF). A escala lateral, de 0 a 5,5 cm/s, demonstra que o equipamento está ajustado para detectar fluxos de baixa velocidade, típicos de simulações com phantoms de calibração. A ausência de cores como azul ou verde reforça a ausência de refluxos ou turbulências, o que sugere o uso de fluido homogêneo e ausência de obstáculos internos. A centralização do ROI, a clareza da imagem e a ausência de artefatos confirmam que a calibração foi realizada de forma correta. Por fim, a boa resposta do sistema Doppler à simulação reforça a eficácia da bomba peristáltica controlada por microprocessador descrita no item 3.5 do projeto, validando o uso do phantom como ferramenta de treinamento e verificação técnica de equipamentos de ultrassonografia vascular.
Figura 8 – Ultrasound Doppler de Fluxo Direito
5 CONCLUSÃO/CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os resultados obtidos com a aplicação do Doppler colorido sobre o phantom flow desenvolvido demonstraram a eficácia do sistema proposto tanto para fins de calibração quanto para treinamento em ultrassonografia vascular. As imagens obtidas revelaram fluxos laminares e turbulentos conforme esperado, com representação adequada das velocidades simuladas pelo controle microprocessado da bomba, evidenciando a capacidade do sistema em reproduzir diferentes padrões hemodinâmicos. As cores observadas – vermelho, azul e misturas com verde – indicaram corretamente a direção, intensidade e a presença de turbulência nos pontos desejados, em consonância com os objetivos projetados. O circuito eletrônico baseado em Arduino permitiu o controle preciso da bomba, garantindo reprodutibilidade e estabilidade dos testes. A utilização de esferas metálicas dentro do vaso simulado se mostrou eficaz na indução de perturbações de fluxo, úteis para simulações realistas. O sistema apresentou excelente resposta às variações de parâmetros do Doppler, comprovando sua aplicabilidade em ambientes de ensino e validação de equipamentos. Dessa forma, conclui-se que o phantom flow construído atende aos requisitos técnicos esperados, sendo uma ferramenta viável, acessível e funcional para fins acadêmicos e laboratoriais.
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1Discentes do Curso Superior de Tecnologia em Sistemas Biomédicos da Faculdade de Tecnologia Prefeito Hirant Sanazar, Campus Osasco. e-mail: nome@provedor.com.br
2Docente do Curso Superior de Tecnologia em Sistemas Biomédicos da Faculdade de Tecnologia Prefeito Hirant Sanazar, Campus Osasco. Doutor em Informática (uninove). e-mail:luiz.silva357@fatec.sp.gov.br
3Docente do Curso Superior de Tecnologia em Sistemas da Informação da Faculdade de Tecnologia Praia Grande, Campus Praia Grande. Doutor em Ciências (POLI/USP). e-mail: jxdias@gmail.com
4Docente do Curso Superior de Tecnologia em Sistemas Biomédicos da Faculdade de Tecnologia Prefeito Hirant Sanazar, Campus Osasco. Doutor em Ciências (POLI/USP). e-mail: jeferson.dias3@fatec.sp.gov.br