Considerações de segurança de sensores de pressão medicamente invasivos

À medida que a tecnologia melhorada do sensor se torna disponível, novos dispositivos estão sendo desenvolvidos para atender a uma série de indicações adicionais. Os benefícios da sensação de pressão para muitas situações médicas são bem compreendidos, mas os novos usuários também devem se preocupar com possíveis efeitos prejudiciais da introdução de novas tecnologias na anatomia. Neste artigo, revisamos as normas de segurança para biocompatibilidade e limites seguros nas correntes elétricas utilizadas in vivo e descrevemos métodos pelos quais ambas as normas podem ser atendidas. 

O uso de sensores de pressão invasivos para o atendimento ao paciente está crescendo. Várias centenas de milhares de sensores invasivos de uso único são usados em todo o mundo a cada ano para medir a pressão no crânio, bem como no coração. À medida que a tecnologia melhorada do sensor se torna disponível, novos dispositivos estão sendo desenvolvidos para atender a uma série de indicações adicionais. Os benefícios da sensação de pressão para muitas situações médicas são bem compreendidos, mas os novos usuários também devem se preocupar com possíveis efeitos prejudiciais da introdução de novas tecnologias na anatomia. 

Sensores de pressão invasivos são usados atualmente em três aplicações principais: 

• Medição de restrições nas artérias coronárias, em um procedimento chamado reserva de fluxo fracionário ou FFR1
• Medição da pressão dentro do crânio, ou monitoramento de pressão intracraniana
• Medidas da artéria pulmonar para monitorar a insuficiência cardíaca. 

À medida que esses sensores se tornam mais fáceis de trabalhar, aplicações adicionais estão em desenvolvimento. Os sensores mais usados hoje são sensores MEMS (Microelectromechanical Systems – Sistemas microeletromecânicos), fabricados a partir do silício, que fazem uso do princípio da Ponte Wheatstone. O sensor é essencialmente um bloco de silício com uma membrana de silício fina. Alterações na pressão causam deflexão da membrana, que por sua vez gera uma pequena tensão proporcional à pressão na membrana.

O processamento de sinal é normalmente empregado para filtrar o ruído elétrico, bem como compensar as mudanças de temperatura, que também afetam a saída do sensor. Esses sensores são tipicamente montados em fios-guia, cateteres, endoscópios ou outros dispositivos médicos totalmente funcionais.

Primeiro, a boa notícia: a adição da capacidade de sensoriamento de pressão a cateteres e endoscópios tornou-se mais simples, devido aos avanços na tecnologia de montagem. Como os projetistas de dispositivos médicos abordam novas opções de tratamento usando sensores in vivo, no entanto, uma avaliação da segurança de cada nova tecnologia precisa ser realizada. A orientação está disponível: várias normas foram publicadas para minimizar os riscos de introduzir novos dispositivos médicos no corpo.

Neste artigo, focamos no padrão de biocompatibilidade ISO 10993, na norma de segurança elétrica IEC 60601-1 e no padrão de esterilização ISO 11135. Todos os três são relevantes para sensores eletricamente alimentados destinados ao uso dentro do corpo. Os sensores de pressão in vivo não são dispositivos médicos acabados, mas sim componentes que podem ser montados em vários dispositivos diferentes para muitos usos e ambientes finais diferentes.

Um dos objetivos dos fabricantes de componentes é desarmá-los, na maior medida possível, do uso de seus componentes pelos fornecedores finais de dispositivos. O fornecedor de componentes só pode fornecer informações sobre riscos conhecidos decorrentes do projeto do componente, bem como medidas tomadas para mitigar os riscos; em última análise, o desempenho do dispositivo médico final está no fornecedor de dispositivos médicos. No entanto, através de atividades de desarmamento on-front no nível do componente, tanto o fabricante do dispositivo quanto o benefício do paciente.

Neste artigo, alguns dos riscos conhecidos ou potenciais de sensores de pressão in vivo são listados e algumas ações mitigadoras sugeriram.

Cantos afiados também devem ser evitados sempre que possível – não apenas por causa da coagulação, mas também para evitar o corte acidental de tecido. Novamente, embora o dispositivo médico final deva ser projetado com hemocompatibilidade em mente, é útil para os designers de dispositivos saber que um componente não está, por si só, adicionando risco. A citotoxicidade é abordada na ISO 10993-511. Produtos químicos ou materiais citotóxicos são aqueles que induzem a morte celular. O padrão faz referência a testes que descrevem métodos para garantir que os produtos químicos tóxicos não se dissolvam do dispositivo médico (e por extensão, dos componentes que compõem o dispositivo). No método de eluição, o dispositivo é primeiro encharcado em um meio de crescimento celular.

A área superficial do dispositivo e as condições de imersão, incluindo o tempo, estão totalmente especificadas. Depois que o tempo especificado é atingido, o dispositivo é removido. Em um segundo frasco, as células são cultivadas no mesmo tipo de meio. Após um extenso crescimento celular, o meio em que o dispositivo foi encharcado é derramado com as células em crescimento, e as células são examinadas em busca de evidência de morte celular. A ISO 10993-10 aponta para vários testes para determinar a sensibilização. Esses testes buscam desarmar a exposição aguda, repetida ou a longo prazo do dispositivo ao sistema imunológico do corpo.

Um teste de sensibilização máxima normalmente é realizado em cobaias, que têm respostas imunes semelhantes ao contato com a pele como os humanos. O dispositivo médico está embebido em líquido para formar um extrato. Os animais são injetados com uma pequena quantidade de extrato e, duas semanas depois, recebem curativos sobre a pele. Os curativos contêm o mesmo extrato. Se ocorrer vermelhidão ou inchaço, o dispositivo é considerado um potencial alérgeno. Um estudo intracutâneo usa um extrato semelhante, mas neste caso pequenas doses são injetadas sob a pele após a injeção inicial. Isso é conhecido como estudo intracutâneo. Finalmente, a ISO 10993-11 busca remover os riscos de efeitos sistêmicos associados ao dispositivo médico.

A norma faz referência a diversos testes correspondentes a diferentes meios de exposição, ou seja, inalação, ingestão, exposição peritoneal e subcutânea, etc. Cada uma dessas rotas de exposição tem um conjunto diferente de métodos de teste potenciais. A maioria desses testes são realizados usando extratos de fluidos (nos quais o dispositivo está encharcado no fluido em condições especificadas), mas em alguns casos o dispositivo é implantado. Implantes são mais usados se houver razões para acreditar que o dispositivo pode se degradar dentro dos ambientes severos encontrados no corpo. Um subconjunto importante da 10993-11 são testes pirogênicos, projetados para detectar a presença de febre após a exposição ao dispositivo.

Nesses testes, os extratos são injetados em coelhos, e suas temperaturas são monitoradas por várias horas depois. O aumento consistente da temperatura indica um risco de pirogênese com o design do dispositivo e materiais. O fabricante de componentes pode minimizar os riscos projetando os componentes apenas com materiais que tenham uma longa história de uso bem-sucedido em dispositivos médicos invasivos, minimizando na maior medida possível os cantos e as áreas afiadas em que sangue ou outros fluidos podem se acumular e estagnar. Essas precauções minimizarão o potencial de toxicidade, inflamação, febre e reação alérgica, bem como trombogênese e coagulação. Se cada uma das normas acima for atendida por um componente de dispositivo médico, a capacidade do dispositivo é quantificada. Isso também pode destacar áreas de risco. Essas informações permitem que o designer implemente o componente na configuração de menor risco.

A maioria dos sensores de pressão disponíveis comercialmente são alimentados por uma corrente elétrica e fornecem um sinal na forma de mudanças de tensão. Suspeita-se que correntes tão baixas quanto 50 μA podem causar arritmia cardíaca. Por razões éticas e práticas, os valores exatos permanecem desconhecidos. Os perigos relativos à introdução de correntes elétricas no corpo constituem uma segunda categoria de risco. Mais uma vez, padrões globalmente aceitos foram desenvolvidos para orientar os fabricantes de componentes e dispositivos.

O cumprimento do ANSI/AAMI ES1 protege os pacientes da exposição potencialmente prejudicial a correntes elétricas durante os procedimentos diagnósticos. Essa norma reconhece que, durante a operação normal, há um potencial de alguma quantidade de corrente vazar de um dispositivo alimentado, seja através do contato líquido ou tecidual. Ela também reconhece que os dispositivos podem falhar de várias maneiras e coloca limites na quantidade de corrente a que o paciente será exposto como resultado de qualquer único ponto de falha.

Para evitar lesões no paciente, o padrão limita a quantidade de corrente que um paciente será exposto a 10 μA durante a operação normal e 50 μA para qualquer modo único de falha. A norma não se aplica a procedimentos terapêuticos em que, por exemplo, a corrente pode ser deliberadamente introduzida para ablação ou estimulação de tecidos.

Para simplificar o design dos fabricantes de dispositivos médicos, os fabricantes de componentes podem garantir a conformidade com este padrão com seus componentes. Se o componente em si não violar o padrão, então o designer final do dispositivo não precisa fazer acomodações especiais para garantir que o dispositivo final também esteja em conformidade. Uma opção é usar sensores baseados em fibra óptica nos quais nenhuma corrente é introduzida. Os sensores de fibra óptica que usam interferômetros Fabry-Perot estão totalmente em conformidade com a ISO 60601-1 e não sofrem interferência elétrica. No entanto, a falta de métodos de produção de alto volume e preocupações com o raio de curvatura têm dificultado sua adoção generalizada.

Para sensores eletricamente alimentados, uma estratégia que o designer de componentes pode empregar é ter seu dispositivo operando em correntes abaixo de 10 μA, e além disso garantir que a falha de qualquer componente resultará em uma corrente através do dispositivo que é inferior a 50 μA. Discutiremos essa estratégia à luz dos sensores de pressão abaixo. Normalmente, os sensores disponíveis comercialmente operam entre 1,8 e 5,0 volts e têm resistências na faixa de 800 a 5000 ohm. Isso resulta em correntes operacionais na faixa de 360 μA a 6,25 mA, muito acima dos requisitos da ISO 60601-1.

Uma abordagem diferente é necessária para o uso in vivo. Uma abordagem recente tem sido usar uma série de resistores que limitam a correntes para manter correntes abaixo de 10 μA, juntamente com elementos de circuito para melhorar o sinal para o ruído. Um circuito amplificador conectado à saída do sensor reduz efetivamente a corrente que flui através do sensor para zero. Por sua vez, este circuito de anulação é usado para realmente medir a pressão. Os resultados experimentais mostram que o fluxo atual permanece abaixo de 8 μA em operação normal. O circuito foi projetado para que a falha de qualquer componente único, ou ponte entre dois pontos, ainda mantenha uma corrente abaixo de 50 μA, também em conformidade com a norma. Apesar da baixa corrente, o ruído da RMS foi experimentalmente determinado como sendo < 0,14 μV a uma taxa de aquisição de dados de 24 Hz, levando a sinal aceitável para ruído.

De acordo com a ISO, um dispositivo estéril é aquele que está livre de microrganismos viáveis. Como a ausência completa de organismos poderia ser difícil de detectar, muito menos alcançar, a definição é então alterada para dizer que as chances de ter organismos viáveis é inferior a um por milhão.

Atualmente, existem três caminhos primários para a esterilização:

• Vapor (autoclave)
• Gás tóxico (óxido de etileno, peróxido de hidrogênio, ozônio)
• Radiação (Feixe de elétrons, raios gama ou raios-x)

A esterilização a vapor é o método mais utilizado para materiais que podem resistir a ele, pois é não tóxico, barato e confiável. Os procedimentos adequados são descritos no ISO 1766521. O vapor pressurizado é tanto microbicida quanto esporicida. No entanto, embora ideais para componentes cirúrgicos de aço, dispositivos complexos que usam adesivos, plásticos e/ou vedações de borracha geralmente são danificados ou destruídos pelo processo de autoclave. Os sensores de pressão usados in vivo podem conter encapsuladores baseados em epóxi ou polissiloxano, nenhum dos quais pode suportar autoclavagem com alta confiabilidade. O leitor é encaminhado à ISO 1766521 para uma descrição completa dos métodos aceitos.

O gás óxido de etileno, ou ETO, tem a vantagem de não destruir a maioria dos materiais usados em dispositivos médicos e é suficientemente penetrante para que possa ser usado para esterilizar até mesmo dispositivos que já foram embrulhados em embalagens. Também tem desvantagens: é explosivo e inflamável, e é potencialmente perigoso tanto para os funcionários do hospital quanto para o meio ambiente. Também requer um tempo de ciclo entre 1 e 6 horas, sob umidade controlada entre 40% e 60%, e temperatura entre 37 °C e 63 °C. Cada um deles impõe um custo adicional ao processo.

ISO ANSI 11135:2014 descreve protocolos específicos para garantir o uso seguro e eficaz do gás óxido de etileno. Em primeiro lugar, os componentes (e qualquer embalagem em
que residam) devem ser expostos a 47 °C e 65% de umidade relativa por 12 a 72 horas, dependendo do tamanho. O dispositivo deve ser capaz de suportar alto vácuo,
pois um vácuo é necessário para introduzir gás ETO sem arriscar que ele se misture com o ar e se torne explosivo. Além disso, o gás é removido puxando o vácuo em vários
estágios e enchendo com nitrogênio, para garantir a remoção completa do gás para níveis abaixo de 65 ppm.

A radiação é um método caro, mas eficaz para a esterilização de dispositivos médicos. A radiação de raios gama, que usa materiais de origem estreitamente regulados pela Comissão Reguladora Nuclear,
é o processo comercial mais comumente utilizado. Pode penetrar várias camadas de materiais e embalagens e sua eficácia é
insensível à umidade, temperatura ou pressão. Certos plásticos, adesivos e borrachas também ficam fragilizados pela exposição à radiação ionizante. A ISO 11137 consiste em várias seções que descrevem métodos aprovados para estabelecer e manter métodos de esterilização seguros e eficazes para dispositivos médicos.

A dosimetria eficaz é uma parte crítica do processo, tanto para garantir a esterilização adequada quanto para evitar danos ao pessoal operacional. Os fabricantes de componentes podem ajudar a minimizar os riscos para os fabricantes de dispositivos, demonstrando que seus componentes continuam funcionando normalmente após a exposição a um ou mais dos métodos de esterilização aprovados pela FDA. Compreender os riscos de desempenho induzidos por qualquer um desses métodos poderia orientar decisões de esterilização para o dispositivo final e evitar erros dispendiosos.