Introdução

A ventilação não invasiva (VNI) desempenha um papel importante no tratamento da insuficiência respiratória aguda e crônica.^{( 1 , 2 )} Não obstante, já se demonstrou que a VNI falha em 40-60% dos casos de insuficiência respiratória aguda.^{( 2 - 4 )} Problemas relacionados com a interface são um dos efeitos adversos mais comuns, sendo responsáveis por 50-100% de todas as complicações da VNI.^{( 4 , 5 )}

A interface escolhida é uma das principais determinantes do sucesso da VNI, principalmente porque afeta negativamente o conforto do paciente. ^{( 6 )} Há preferência pelas máscaras oronasais para pacientes com insuficiência respiratória aguda, pois esses pacientes geralmente respiram pela boca para contornar a resistência nasal. ^{( 7 , 8 )} Há relatos de que as máscaras nasais são usadas em 73% dos pacientes com insuficiência respiratória crônica.^{( 1 , 4 , 8 )} A interface escolhida também pode desempenhar um papel importante nas complicações da VNI, tais como vazamento de ar, claustrofobia, eritema facial, erupção acneiforme, danos à pele e irritação ocular.^{( 4 , 8 )} Os locais mais comuns de atrito e dano à pele são a ponte nasal e o lábio superior (máscara nasal), a mucosa nasal (almofadas nasais) e as axilas (capacete).^{( 1 )} É justificável a criação de um modelo mais objetivo para auxiliar na escolha da interface de VNI dependendo do cenário, das circunstâncias do paciente ou mesmo dos materiais usados. Programas promissores e a evolução dos modelos computacionais ao longo das últimas décadas contribuíram significativamente para o desenvolvimento de produtos médicos, criando uma ligação entre a engenharia mecânica e a prática clínica. Um dos avanços da engenharia com maior potencial de aplicação biomecânica é o método dos elementos finitos (MEF).^{( 9 )} O MEF foi desenvolvido por engenheiros na década de 1990 como um meio de analisar o comportamento mecânico de estruturas complexas. ^{( 10 )} Atualmente, o MEF é aplicado nas áreas de engenharia, ciência e medicina. Trata-se de uma técnica numérica computadorizada que pode ser usada para estabelecer os campos de tensão e deslocamento em uma estrutura específica. Em termos mais simples, pode-se dizer que o MEF resolve problemas complexos redefinindo-os como a soma de uma série de problemas mais simples e inter-relacionados. Em suma, o MEF subdivide um objeto em um conjunto adequado de pequenas regiões distintas (os elementos finitos), que são ligadas por pontos comuns (os nós). Mesmo que a estrutura estudada seja complexa e tenha forma irregular, os elementos individuais devem ser simples e facilmente analisados. Os elementos podem ser de uma, duas ou três dimensões e podem assumir geometrias distintas (linhas, tetraedros, conchas, placas etc.). O comportamento de cada elemento é analisado quanto às cargas e respostas nos nós e é descrito por uma pequena matriz elementar, relacionando um deslocamento nodal vetorial com um vetor de forças nodais aplicadas. A geometria é assim representada de maneira simplificada e separada, embora ainda caracterize o objeto a ser modelado.

Levantamos a hipótese de que o uso de um modelo computacional tridimensional (3D) aumentaria a probabilidade de avaliar com precisão pontos de pressão (PP) problemáticos em pacientes submetidos a VNI com interface oronasal (IO), pois permitiria que se levassem em conta a anatomia facial e os pontos correspondentes na máscara. O objetivo deste estudo foi avaliar os efeitos de uma IO por meio de um modelo computacional 3D com a capacidade de simular e avaliar os principais PP.

Métodos

Para este estudo, foi usado um modelo digital de uma face humana, baseado em um modelo geométrico descrito anteriormente.^{( 11 , 12 )} A geometria facial foi extraída e simplificada para nossa análise. O modelo 3D foi criado com três partes principais: tecidos moles (parte do couro cabeludo, tecido muscular, gordura e tecido cutâneo); crânio e cartilagem nasal. A parte de tecidos moles usou elementos tetraédricos de quatro nós, ao passo que as partes de crânio e cartilagem nasal usaram elementos conquiformes. As partes foram conectadas por meio dos nós comuns nas interfaces. A mandíbula ficou livre para se mover relativamente ao crânio, de acordo com a anatomia humana (para o desempenho do modelo e a discretização dos dados, a abertura bucal não foi modelada). As propriedades mecânicas dos tipos de formulações usadas no modelo são apresentadas na Tabela 1. A cabeça foi selecionada ao longo do plano dorsal próximo da referência geométrica da cabeça e ao longo do plano transversal abaixo da mandíbula.

A IO modelada foi uma versão simplificada da Quattro(tm) FX (ResMed, Bella Vista, Austrália). A versão simplificada foi usada porque não possui membrana interna, o que pode melhorar o ajuste da máscara. Esse modelo geométrico foi obtido por meio de varredura a laser 3D e pós-processado para uso subsequente no modelo criado (Figura 1). A superfície da máscara obtida foi selecionada com o objetivo de separar a almofada da parte rígida da IO. A almofada foi então pré-processada (transformada em modelos de desenho assistido por computador que podem ser manipulados) para criar o modelo de elementos finitos (Figura 2). O modelo da almofada é composto por elementos conquiformes com base em uma formulação de grande deformação.

Figura 1 - 1A: máscara Quattro(tm) FX (sem cotovelo), tamanho G; B: modelo de elementos finitos de A (cabeça e almofada simplificada); C: modelo geométrico de A obtido por meio de digitalização a laser tridimensional. 

Figura 2 - A: almofada da máscara Quattro(tm) FX, tamanho G; B: modelo de elementos finitos da almofada (A), simplificado. 

Após a construção dos modelos de elementos finitos da face humana e da IO, foi realizada uma simulação da interação entre ambas no solucionador multidisciplinar de elementos finitos RADIOSS^(r) (Altair Engineering, Troy, MI, EUA). Na etapa inicial, os modelos são montados de tal modo que haja um espaço de aproximadamente 22 mm entre o modelo da IO e o modelo da face humana, a fim de impedir a penetração. Na etapa seguinte, as cargas e condições de contorno são aplicadas e a IO é movida em direção à face humana. As interações entre a IO e a face humana ocorrem principalmente na região frontal (incluindo a ponte nasal), na região maxilar e na região mandibular. Na terceira etapa (a etapa da IO), a IO está praticamente estável na face humana, com PP cada vez maiores. Determinou-se então a distribuição da pressão nas áreas de contato (Figura 1). Conforme descrito na literatura,^{( 11 )} uma carga de pressão de 25 cmH₂O foi em seguida aplicada à máscara a fim de simular a tensão criada pelo apertar das tiras elásticas, o método-padrão de fixação da IO durante a VNI. Esses sistemas de tiras elásticas prendem a máscara ao rosto, ao passo que a pressão ventilatória a empurra para longe; agem, portanto, como forças opostas. Do ponto de vista mecânico, o sistema de tiras elásticas é progressivamente apertado até que não haja vazamento de ar durante a pressão inspiratória de pico. A pressão foi pré-ajustada para 25 cmH₂O para garantir que fosse menor do que a pressão de perfusão capilar da pele. ^{( 11 )} Foram obtidas imagens gráficas descritivas das áreas locais dos PP e de sua intensidade (análise descritiva). Os resultados apresentados foram registrados durante um intervalo de 40 ms, após a estabilização do modelo (Vídeo 1, disponível na versão on-line do Jornal Brasileiro de Pneumologia; http://jornaldepneumologia.com.br/detalhe_video.asp?id=2355).

Resultados

Para as análises gráficas de cada par de modelos face-IO e suas respectivas avaliações, foram realizadas 21 simulações. Esse foi o número de simulações necessárias para ajustar o posicionamento inicial da máscara, caracterizar o contato, determinar quão rapidamente a carga e a pressão deveriam ser aplicadas e garantir que o programa produziria um número suficiente de resultados sem erros (o próprio programa avalia e demonstra erros concernentes à simulação). Foram obtidas imagens gráficas descritivas dos PP (Figura 3). A IO apresentou vários PP de grande relevância na ponte nasal, na região paranasal e na região mandibular (Figura 3). Houve um significativo aumento de pressão no ponto de contacto entre a membrana da máscara e o nariz (Figura 3). Em uma análise gráfica da pressão de contato, observou-se que a distribuição da pressão é relativamente homogênea em toda a área de contato da IO; o contato só é interrompido na comissura labial e no processo frontal da maxila (Figura 3). No processo frontal da maxila, observou-se uma grande porção em que a pressão de contato foi baixa ou nula. Na ponte nasal e na região paranasal, observou-se um PP com densidade > 204 cmH₂O.

Figura 3 - Imagens gráficas de pontos de pressão (A); azul, verde, amarelo e vermelho indicam valores crescentes de pressão e pressão de contato. Pontos de pressão (B) de uma interface oronasal e correspondente lesão cutânea (C) induzida por um dos pontos de alta pressão (B1, ponto de contato entre a membrana da máscara e o nariz) da mesma interface; em algumas áreas da almofada da máscara (D), a pressão de contato foi nula/baixa (D2/D3), ao passo que em outras áreas foi elevada (D4), especificamente na ponte nasal, na região paranasal e na região mandibular. Em D5, etapas da simulação, de acordo com a abordagem e o contato com a máscara. 

Como se pode observar na Figura 4, a variação da profundidade dos tecidos moles traduziu-se em variação da pressão aplicada, de 438 a 724 cmH₂O. Uma vista sagital mostrou que os efeitos da pressão observados no aspecto lateral superior do nariz estenderam-se ao tecido ósseo (osso nasal). Observou-se um fenômeno semelhante em que a almofada se alinha com a mandíbula e a maxila.

Figura 4 - distribuição de tensão equivalente de Von Mises (uma combinação de todos os componentes de tensão) na superfície da pele; B: variação de pressão de acordo com a profundidade dos tecidos moles. 

Discussão

Os principais achados do presente estudo foram os seguintes: a probabilidade de ocorrência de um PP foi maior na ponte nasal e na região paranasal; houve um significativo aumento de pressão no ponto de contato entre a membrana da máscara e o nariz; a variação da profundidade dos tecidos moles teve um impacto direto na quantidade de pressão aplicada. Nossos achados estão de acordo com a literatura no tocante à área em que tipicamente ocorrem as lesões cutâneas (a ponte nasal).^{( 5 , 12 )} A ulceração da ponte nasal, como mostra a Figura 3, é uma complicação relativamente comum da VNI; ocorre em até 10% dos pacientes a ela submetidos.^{( 5 )}

A lesão cutânea no local de contato da máscara é a complicação mais comum da VNI,^{( 4 )} e a necrose da pele geralmente ocorre em virtude da excessiva pressão de ajuste da máscara, que resulta em perfusão tecidual inadequada.^{( 11 )} Schettino et al.^{( 11 )} descreveram um método simples de garantir a fixação adequada da máscara durante a VNI: medir a pressão de ajuste da máscara dentro da almofada pneumática. Até onde sabemos, este é o primeiro estudo em que se avaliou, por meio do MEF, o comportamento de uma IO em PP e a pressão de contato durante a VNI. O PP no ponto de contato entre a máscara e o nariz é muitas vezes avaliado simplesmente como uso incorreto da IO. Nossos resultados preliminares indicam PP na ponte nasal e na região paranasal, além de desproporcionada pressão de contato entre a membrana da máscara e o nariz. No entanto, são necessários mais estudos para esclarecer essa questão.

Com base em nossos resultados preliminares, podemos sugerir que a probabilidade de lesão cutânea é maior nas regiões da pele em que a proporção de tecidos moles é menor. Na anatomia humana, o tecido mole é composto por pele, gordura subcutânea e tecido muscular. A espessura do tecido mole seria responsável por uma variação da resistência à pressão aplicada à pele. Em outras palavras, tecidos moles de maior profundidade não permitiram que a pressão se propagasse pelo tecido ósseo (da mandíbula ou maxila, no presente estudo). É possível que, no tocante à profundidade dos tecidos moles, uma distribuição mais ampla da pressão reduza a probabilidade de lesões. A baixa pressão de contato da IO com a comissura labial direita e esquerda e com o processo frontal da maxila pode estar relacionada com o aumento do escape de ar, o que corroboraria os dados encontrados na literatura.^{( 4 )}

O desenvolvimento de poderosas ferramentas computacionais propicia novas abordagens ao estudo de questões relativas à adaptação ao ventilador. Por exemplo, Lei et al.^{( 13 )} criaram representações digitais das geometrias complexas de uma cabeça humana e de um respirador facial usando escâneres a laser. Os autores então manipularam as imagens 3D e as submeteram a uma análise computacional da interface entre o respirador e a face humana a fim de calcular a distribuição da pressão de vedação. Alguns pesquisadores têm se concentrado na distribuição da pressão de vedação entre uma IO e a face humana com um respirador N95 (máscara de proteção) e uma máscara de oxigênio para pilotos de jatos.^{( 13 , 14 )} O primeiro autor a usar o MEF para calcular a pressão entre uma máscara de oxigênio para pilotos de jatos (MBU-20/P) e a face humana foi Bitterman.^{( 15 )} De acordo com Yang et al.,^{( 16 )} a pressão máxima do respirador é de 3.344 cmH₂O, maior que a encontrada em nosso estudo. Piccione & Moyer^{( 17 )} criaram um "modelo de ajuste e desconforto" de máscara para avaliar o ajuste, a proteção e o desconforto de acordo com o local de contato, a pressão, o cisalhamento e o atrito. Cohen^{( 18 )} descreveu um método experimental para avaliar a vedação de máscaras por meio da medição da distribuição da pressão de vedação. Acreditamos que o método de simulação computacional 3D possa prever os PP entre a face humana e uma IO para VNI. Mais estudos são certamente necessários para validar e expandir essa metodologia, cujo uso em projetos e testes de máscaras é realmente promissor.

O presente estudo tem uma série de limitações. O modelo da face não foi perfeitamente análogo à anatomia humana, em que o tecido mole é composto por pele, gordura subcutânea e tecido muscular. Além disso, a pressão foi aplicada em um único ponto em vez de ser distribuída em toda a máscara, como seria na vida real; ademais, o modelo não foi ajustado para levar em conta os efeitos da tensão das tiras. O fator tempo também não foi levado em conta. Além disso, a IO empregada (um modelo simplificado) tem apenas uma membrana interna. Teoricamente, a membrana da máscara pode alterar os valores de pressão e a distribuição dessa pressão na face. Portanto, nossos achados não podem ser extrapolados para a versão comercializada da máscara.

Os resultados preliminares apoiam a ideia de que a probabilidade de ruptura da pele é maior na ponte nasal e na região paranasal em pacientes submetidos a VNI com IO. Essa metodologia pode introduzir o estudo biomecânico de interfaces de VNI como estratégia para minimizar lesões. É necessário validar quantitativamente esse modelo, inclusive a membrana interna de almofadas nasais.