Eletrocirurgia

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RESUMO OBJETIVO DO PROBLEMA: 
	O problema fala sobre a importâncias dos bisturis elétricos, de como são usados nas cirurgias para fazer incisões ou controlar sangramentos. É dito que esses equipamentos possuem cerca de três funções, sendo elas de corte, mistura (blend) e coagulação; assim como existem dois tipos diferentes como bipolar e monopolar.
	Em seguida é dito que um cirurgião do hospital perguntou para um engenheiro qual seria o melhor modo de operação do bisturi de acordo com o tecido e a região a ser operada. O uso desses aparelhos requer um transformador, no qual se utiliza uma bobina primária e uma secundária para reduzir a tensão da tomada; em seguida a corrente AC será retificada para CC para alimentar todo o circuito interno.
OBJETIVOS:
· Conhecer o uso de bisturis elétricos.
· Aprender a construir um transformador.
· Calcular sobre o transformador aumentador e abaixador.
· Entender as diferenças entre bisturis monopolar e bipolar.
· Aprender sobre as formas de onda utilizadas em bisturis elétricos.
· Compreender o funcionamento de uma fonte de alimentação CA/CC.
TERMOS DESCONHECIDOS: 
· Fulgurar: É a alteração causada ao organismo vivo devido à descargas elétricas, ou raios, de altas tensões sem exista a chance de letalidade[endnoteRef:1]. [1: REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
 CROCE, Delton; JÚNIOR, Delton. C. Manual de Medicina Legal. 8ª ed. São Paulo: Saraiva, 2012.
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· Eletrodo de dispersão: Também chamado de eletrodo neutro, é um equipamento no qual se consiste uma placa situada em contato com a pele do paciente; sua função se consiste em recuperar a corrente elétrica para que ela retorne ao gerador, complementando um circuito elétrico[endnoteRef:2]. [2: COUTO, Renan. S.; FIORELLI, Rossano. K. A. Cirurgia Laparoscópica Ilustrada: Bases Técnicas. São Paulo:  Thieme Revinter, 2020.
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Figura 1: Exemplo da complementação de um circuito feito por um eletrodo de dispersão[endnoteRef:3]. [3: Fonte referente à figura 1. Disponível em: <https://veteriankey.com/surgical-modalities-laser-radiofrequency-ultrasonic-and-electrosurgery/>. Acessado em: 12/11/2021 10:02.
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· Eletrodo ativo: É o instrumento responsável por levar a corrente elétrica aos tecidos, nas cirurgias convencionais ele é popularmente conhecido como bisturi elétrico2.
· Efeitos farádicos: É a estimulação de células nervosas, e musculares, pela corrente elétrica causando dores e contrações. Sua ocorrência se dá por uma corrente de baixa frequência que é aplicada ao corpo humano fazendo com que os íons sejam empurrados para frente e para trás; devido a rápida reversão do fluxo acaba gerando despolarização e estimulando as células excitáveis2.
· Efeito ripple: É, como a própria tradução, uma ondulação na corrente alternada (Vca) que acaba por se sobrepor ao valor médio da tensão de uma fonte de corrente contínua (Vcc). Essa ondulação normalmente se origina pela utilização de carregadores baseados em retificadores[endnoteRef:4]. [4: LEITE, Anderson. Você sabe o que é ondulação ou fator de Ripple? LinkedIn, 2016. Disponível em: <https://www.linkedin.com/pulse/voc%C3%AA-sabe-o-que-%C3%A9-ondula%C3%A7%C3%A3o-ou-fator-de-ripple-anderson-leite/?originalSubdomain=pt>. Acessado em:12/11/2021 10:02.
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Figura 2: Exemplo do efeito ripple[endnoteRef:5]. [5: Fonte referente à figura 2. Disponível em: < https://www.linkedin.com/pulse/voc%C3%AA-sabe-o-que-%C3%A9-ondula%C3%A7%C3%A3o-ou-fator-de-ripple-anderson-leite/?originalSubdomain=pt >. Acessado em: 12/11/2021 10:02.
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· Entreferro: É o espaço vazio nos circuitos magnéticos[endnoteRef:6]. Sua fórmula é dada por: [6: BOYLESTAD, Robert. L. Introdução à Análise de Circuitos. 12ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2012.
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Figura 3: Exemplificação do entreferro, núcleo e bobina de um transformador[endnoteRef:7]. [7: Fonte referente à figura 3. Disponível em: <http://e-lee.ist.utl.pt/realisations/MachinesElectriques/Conversion/CircuitMagnetique/7_cours.htm>. Acessado em: 12/11/2021 10:02.
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· Norma ABNT NBR-IEC 60601-2-2: É a norma referente a equipamentos eletrodomédicos, ressaltando principalmente os requisitos particulares para a segurança básica e o desempenho essencial de equipamentos e acessórios cirúrgicos de alta frequência[endnoteRef:8]. [8: ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Nbr 60601-1-2: Equipamento eletromédico Parte 1-2: Requisitos gerais para segurança básica e desempenho essencial — Norma Colateral: Perturbações eletromagnéticas — Requisitos e ensaios. Rio de Janeiro, p. 94. 2014.
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QUESTÕES:
1. Como funciona o equipamento de bisturi elétrico? Apresente a diferença entre monopolar e bipolar.
Hipótese: Recebe uma fonte de 127 V que fornece energia para um circuito de controle regido por um pedal gerando um circuito de potência. O sistema bipolar trabalha com tensões mais baixas e o monopolar emprega-se dois eletrodos na intenção de aplicar uma alta tensão.
Avaliação da hipótese: A hipótese está parcialmente correta pois faltou alguns detalhes da lâmina na hora de explicar o bisturi, e, também, as explicações dos bisturis monopolares e bipolares está errada.
Resposta: O bisturi elétrico funciona elevando a frequência e tensão da uma corrente alternada que normalmente tem 60 Hz. Para a coagulação o valor de frequência chega entre 600 a 700 kHz e para corte chega de 1 a 2 MHz. Isso acontece porque na ponta, que apresenta menor área de contato, ocorre uma grande concentração de elétrons devido ao alto valor da corrente o que faz com que a temperatura nesse local se eleve e cause uma “lesão” no tecido.
	O bisturi possui duas conexões de saída: uma para a faca, ou a ponta, e outra para a placa, chamada de polo neutro. Esse polo neutro normalmente possui contato direto com o ponto neutro da tomada, o que torna seu potencial igual a zero. Quando a ponta do pisturi atinge a pele, essa placa que está pocicionada de modo contrário e que possui uma baixa densidade da corrente dissipa o calor gerado pelos vasos sanguíneos da pele em contato[endnoteRef:9]. [9: Torres M, Mathias. Complicações com o Uso da Monitorização - Segurança no Uso do Equipamento Eletro-Médico. Revista Brasileira de Anestesiologia, Rio Grande do Sul, Vol. 42: Nº 1, Janeiro - Fevereiro, 1992.
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Figura 4: Exemplo do funcionamento de um bisturi9.
No bisturi elétrico monopolar o calor gerado é causado pela passagem da corrente do eletrodo ativos para o neutro, essa técnica pode ser muito usada em cirurgias abdominais já que a corrente monopolar pode ser usada tanto para a coagulação como para corte, sendo um dos equipamentos em maioria de eletrocauterização passível de regulagem de potência. Já nos bisturis bipolares a corrente flui do polo positivo para o neutro situado na própria extremidade a faca e evitando a passagem da corrente pelo corpo do paciente, auxiliando tanto na coagulação como no ajuste de estruturas tubulares, fator que o torna muito usado em cirurgias ginecológicas[endnoteRef:10]. [10: SILVA, Renato. S.; CARLI, Luiz. A. Videocirurgia. 1ª ed. Porto Alegre: Artmed, 2007.
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Figura 5: Exemplificação das diferenças das técnicas monopolar e bipolar[endnoteRef:11]. [11: Fonte referente à figura 5. Disponível em: <https://docplayer.com.br/112156593-O-que-e-e-como-funciona-o-eletrocauterio.html>. Acessado em: 12/11/2021 10:02.
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2. Indique as formas de onda de saída de um bisturi elétrico e suas aplicações:
Hipótese: De acordo a figura 2, na forma de onda de corte a frequência é maior, diretamente proporcional a tensão, e continua atingindo tecidos mais profundos. A forma para coagulação o circuito é provavelmente um capacitor em série com o indutor e uma resistência antes, e como nem capacitor ou indutor são ideais a amplitude da onda vai diminuindo. A diferença entre a coagulação e o blend é a falta da resistência posterior, portanto deixando o corte mais profundo.
Avaliação da hipótese: A hipótese está errada. Ambas as três formas de onda possuem frequências altas, mesmo sendo a de corte atingindo valores mais altos; e suas as diferenças entre suas formasnão depende de dispositivos eletrônicos mas também do tempo, utilização e finalidade já que as três podem ser obtidas de um mesmo aparelho de bisturi elétrico.
Resposta: A primeira onda apresentada é uma forma de onda de corte, ela é uma senóide contínua que trabalha com uma frequência de 480 kHz. Esta forma é muito usada em cortes eletrocirúrgicos que consiste no aquecimento das células do tecido de uma forma tão rápida que elas acabam por explodir pelo vapor produzido internamente, esse processo também é conhecido como vaporização celular.
	Já a segunda onda apresentada é a de coagulação, essa onda se consiste em pequenos pacotes de senóide de rádio frequência com pouco tempo de duração. Apesar da frequência da onda ser entorno de 240 kHz os pacotes chegam a 60 kHz. Sua aplicação é voltada para a fulguração, que consiste na geração de faiscamento do eletrodo para o tecido com um mínimo efeito de corte; esse método, como seu nome, permite a coagulação de grandes sangramentos.
	Por último é apresentado a forma de onda de Blend, essa, assim como a anterior, se constitui por pequenos pacotes de senóide porém se diferenciando no tempo de duração, já que esta apresenta um maior tempo de duração. Esse método é chamado de corte misto pois mistura um pouco das características da onda de corte com as da onda de coagulação. Muito usado para a remoção de tecidos biológicos com maior potencial de sangramento[endnoteRef:12]. [12: VIEIRA, Eedson. L. R. MANUAL DE UTILIZAÇÃO: Bisturi eletrônico microprocessado Modelo HF-120 / HF-120MICRO. São Paulo: WEM Equipamentos Eletrônicos LTDA, p.33. ] 
3. De acordo com as informações apresentadas no problema, explique todos os passos para o projeto de um transformador (n° de espiras, área do núcleo, bitola dos fios, tamanho e tipo do entreferro,etc).
Hipótese: Primeiramente deve-se definir frequência, eficiência, tensão de entrada e saída, corrente, potência de entrada, tensão de saída, indução magnética do ferro.
Avaliação da hipótese: A hipótese está parcialmente correta porque faltou a explicação de vários outros detalhes.
Resposta: Os primeiros passos devem ser os valores das tensões (Vp e Vs), potência (VA) e a frequência (Hz) na qual o sistema irá operar. A partir da potência e tensão de saída (VA e Vs) é possível calcular a corrente de saída pela lei de Ohm, e em seguida pode-se calcular a seção dos condutores (mm2), já que suas relações são diretamente proporcionais. 
	Dependendo da potência do transformador é “permitido” uma certa densidade de corrente por condutor, seguindo a tabela dada abaixo.
	Potência aparente (VA)
	Densidade de corrente A/mm2
	500
	3
	1000
	2,5
	3000
	2
	Para fins comerciais existe uma tabela que possui os padrões certos para a bitola dos fios denominada de tabela AWG. Em seguida é calculado o valor da seção magnética (Am) onde corresponde a área do transformador onde a espira será enrolada, em seguida é calculado a seção geométrica (Ag), ambas em cm2. Com essa seção é calculado, a partir de Am a seção da janela a partir da tabela abaixo.
	No.
	a[cm]
	Seção da janela [cm2]
	Peso do nucleo [kg/cm]
	0
	1,5
	1,680
	0,095
	1
	2,0
	3,000
	0,17
	2
	2,5
	4,680
	0,275
	3
	3,0
	6,750
	0,38
	4
	3,5
	9,000
	0,516
	5
	4,0
	12,000
	0,674
	6
	5,0
	18,800
	1,053
	O próximo passo, depois do Am, é descobrir o número de espiras, para isso é usado uma equação que será dependente do valor de Am, tensão (V), frequência (f) e indução magnética do núcleo (B). Quanto maior este último valor mais ferromagnético será o núcleo, o que seria um fator positivo para o acoplamento e iria reduzir o número de espiras.
	Para determinar a área do cobre (Acu), que irá determinar se Ag atende aos requisitos de colaboração dos enrolamentos dos fios no carretel, é usada a seguinte equação:
E a viabilidade do núcleo será determinada se Am/Acu > 3. Para saber o peso do núcleo será necessário voltar na última tabela dada acima e multiplicar a espessura do Trafo pelo peso do núcleo da lâmina usada. Para o cálculo do peso do cobre é necessário achar o comprimento médio dos fios, multiplicar pela área do cobre (Acu) e por 8,9, e dividir esse resultado 100.000; a resposta final é dada em Kg. Por fim o peso total será a soma entre o peso do núcleo e o do cobre. 
4. Projete um transformador de tensão de entrada (T1: 150VA; 127Vp/30Vs; 60 Hz) e um transformador de tensão de saída para altas frequências (Tsaida: 100VA; 30V/4500V; 450 kHz) para um bisturi elétrico.
Hipótese: n° de espiras= (tensão de entrada * 10^8)/ 4,44* indução mag * secção mag* frequência
Corrente= potência de entrada/ tensão de entrada
Secção do condutor =SE(Pp<P_500;SE(Pp<P_1000;Ip/Dens_1000;SE(Pp<P_3000;Ip/Dens_3000;0)))
A viabilidade do núcleo deve ser maior que 3.
Avaliação da hipótese: A hipótese está parcialmente correta, pois na tabela que corresponde ao transformador 1, o valor de 150VA foi colocado na cédula de potência de entrada, quando na verdade era para ser colocado na cédula de potência de saída, o que acabou alterando alguns resultados apenas desse transformador. g
Resposta: Abaixo segue uma imagem do transformado de tensão de entrada, T1, (T1: 150VA; 127Vp/30Vs; 60 Hz), e as fórmulas que foram usadas para o seu cálculo.
Abaixo segue uma imagem do transformador de tensão de saída para altas frequências, T2, (Tsaida: 100VA; 30V/4500V; 450 kHz), e as fórmulas que foram usadas para o seu cálculo.
	Abaixo segue duas tabelas que auxiliaram o cálculo dos dois transformadores, sendo uma delas a de potência aparente x densidade da corrente e a outra sobre a relação da lâmina padronizada X seção da janela x peso do núcleo.
5. Esboce os gráficos de V1(t), VC2(t) e VC4(t) (fig 4).
Hipótese: Fazer circuito no multisim e inserir valores no Excel para formar os gráficos de tensão por tempo, tensão do capacitor 2 pelo tempo, e tensão do capacitor4 pelo tempo.
Avaliação da hipótese: A hipótese está parcialmente correta pois não precisou inserir os números no excel, apenas foi necessário o uso do osciloscópio tektronix para identificar os gráficos de cada etapa.
Resposta: Abaixo segue os gráficos de V1(t), VC2 (t) e VC4(t). Sendo o primeiro (amarelo) uma onda senoidal pelo fato de sua fonte ser uma tomada que possui corrente alternada. O segundo gráfico (azul) apresenta uma onda senoidal com o efeito ripple devido a ponte de diodos. O terceiro gráfico (rosa) não apresenta ondas, sendo transformado em uma linha contínua devido ao fato de se apresentar posteriormente ao regulador de tensão LM7805.
Por fim é apresentado o os três gráficos no mesmo osciloscópio para que facilitasse melhor a comparação entre eles.
Figura 6: Gráfico V1(t).
Figura 7: Gráfico VC1(t).
Figura 8: Gráfico VC4(t).
Figura 9: Comparação dos gráficos V1(t) – amarelo; VC2(t) – azul; e VC4(t) – roxo.
6. Explique o funcionamento do bloco "fonte de alimentação" (Figura 4), dizendo se nesse circuito, o LM7805 pode vir a apresentar problema, a partir da análise do circuito e de seu datasheet.
Hipótese: Olhar o datasheet e analisar o gráfico para encontrar a resposta.
Avaliação da hipótese: Não possui hipótese a ser validade devido ao fato de que foi proposto apenas olhar o datasheet ao invés de desenvolver qualquer ideia sobre o que aconteceria com o regulador de tensão LM7805, ou alguma explicação sobre como seria o funcionamento do bloco “fonte de alimentação”.
Resposta: O bloco fonte de alimentação que representa a figura 4 significa que a alimentação do equipamento se divide, como diz seu nome, em blocos; ou seja existem algumas etapas de transformação da corrente antes que ela chegue no equipamento, no problema são três, sendo a primeira da tomada, onde ela sai como uma onda senoidal que terá sua tensão transformada por um transformador. A segunda etapa é a ponde de diodos que irá retificar a corrente alternada (AC) para uma corrente contínua (DC) porém irá carregar com sigo o efeito ripple. Por último, terceira etapa, terá um regulador de tensão, LM7805, que irá,assim como seu nome, regular a tensão eliminando o efeito ripple da corrente.
De acordo com o datasheet do LM7805 sua corrente de saída deve ser de 0,5 até 1 A, e no circuito é de 1,63 µF; porém sua tensão que deveria ser de 4,8 até 5,2 V, no circuito é de 21mV. Portanto é possível concluir que o LM7805 irá apresentar falhas em relação a sua tensão.
Figura 10: Valor da tensão e da corrente no regulador de tensão LM7805.
MAPA CONCEITUAL: 
RESUMO CRÍTICO:
	O problema retrata uma situação muito importante tanto para a área médica quanto para a área elétrica em hospital, por se tratar tanto de bisturis quanto do funcionamento do transformador. No primeiro caso o engenheiro biomédico deve ser capaz de escolher o melhor bisturi e indica-lo para o cirurgião dependendo da cirurgia que será realizada; no segundo caso o engenheiro biomédico deve ser capaz de entender o funcionamento de um transformador para quando for necessário abaixar ou elevar a tensão na hora de usar algum equipamento específico.
	O grupo, ao longo dessas tutorias, conseguiu trabalhar bem em conjunto mesmo com a pouca participação de alguns membros. As perguntas foram bem pensadas e as hipóteses conseguiram evoluir gradativamente com a ajuda de todos.
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