2.2 Semiconductor as Photoabsorber
2.2.1 Band Theory
Apesar de as válvulas cardíacas artificiais serem amplamente utilizadas, ainda não se chegou próximo ao projeto ideal (CHANDRAN, 2001; CHEW et al., 2001; SIMIONESCU, 2006). Subsistem ainda muitos problemas associados às próteses mecânicas ou biológicas, tais como os trombos, os gradientes pressóricos transvalvulares, as turbulências e a hemólise, o desgaste e a fadiga dos materiais, as fibroses, a degeneração, as calcificações, etc. Todas as próteses de válvulas cardíacas acarretam estenose do orifício valvar, que decorre da espessura de seu anel; além disso, certo gradiente pressórico transvalvular ocorre em todas essas próteses e tem relação inversa com o fluxo sangüíneo que atravessa o óstio valvular (LEMOS e STOLF, 1992), sendo o perfil hemodinâmico dependente, por exemplo, do tamanho, do tipo e modelo da válvula e até mesmo da sutura escolhida para o implante (EICHINGER, DÄBRITZ e LANGE, 2007).
Atualmente, as falhas estruturais em próteses mecânicas são desprezíveis (GOTT, ALEJO e CAMERON, 2003; ZILLA et al., 2008). Apesar da sua longa
durabilidade, pacientes com próteses mecânicas estão sujeitos à trombose e ao tromboembolismo, ainda que sejam necessariamente tratados com anticoagulantes e agentes anti-agregantes plaquetários (CAMPOS, ANDRADE e SILVA, 2010; LEMOS e STOLF, 1992). Como exceção, a literatura também narrou a longa sobrevivência de alguns indivíduos que não utilizaram anticoagulantes. O quarto caso descrito, terceiro narrado para a posição aórtica e isento de complicações ao longo de 22 anos, pode ser visto em Yildiz et al. (2006). Além disso, estima-se que uma grande parte dos pacientes (50 a 95%) com válvulas mecânicas tenham algum grau de hemólise (PIBAROT e DUMESNIL, 2009).
As válvulas biológicas dispensam o uso de anticoagulantes, mas a incidência de falhas primárias aumenta com o tempo, especialmente nas crianças, jovens e durante a gravidez, já que a calcificação acelera a degeneração tecidual. Por exemplo, as biopróteses convencionais com stent estão livres de falhas estruturais de 70 a 90% até 10 anos após o implante e de 50 a 80% até 15 anos (PIBAROT e DUMESNIL, 2009; ZILLA et al., 2008). Para enxertos homólogos, que não usam glutaraldeído, é esperada uma durabilidade de 15 a 20 anos (FILOVÁ et al., 2009; VESELY, 2005). Para as biopróteses sem stents, estima-se uma durabilidade equiparada aos enxertos homólogos, uma vez que calcificam menos. Por outro lado, devem ser avaliadas quanto ao seu diâmetro apropriado, pois não possuem anel rígido e, em geral, necessitam um tempo de circulação extracorpórea maior durante a cirurgia (AZADANI e TSENG, 2011; PIBAROT e DUMESNIL, 2009; ZILLA et al., 2008). Pacientes com alto risco ou impossibilidade de cirurgia podem servir-se da opção por biopróteses transcateter, apesar de esta escolha estar associada a uma maior taxa de acidentes vasculares cerebrais e eventos vasculares (LEON et al., 2010).
Principalmente por causa da durabilidade e do tempo de vida estimado para o paciente, as biopróteses convencionais são recomendadas para pacientes mais idosos e para os que não podem receber anticoagulantes (LEMOS e STOLF, 1992; MURTRA, 2002), embora atualmente os riscos cirúrgicos devidos a reimplantes tenham diminuído ao ponto de pensar-se que são menores que os riscos cumulativos com o uso de anticoagulantes em próteses mecânicas (VESELY, 2005). De todos os modos, a escolha deve contar com a experiência clínica. Neste sentido, critérios de escolha sobre o tipo de válvula (mecânica ou biológica), modelo, tamanho, desempenho hidrodinâmico, dentre outros, em função do quadro do paciente foram formulados também em termos de algoritmos (OAKLEY, EL, KLEINE e BACH, 2008; PIBAROT e DUMESNIL, 2009).
Há, portanto, vantagens e desvantagens na utilização de próteses biológicas ou mecânicas e ambas devem estar disponibilizadas ao paciente. Também por isso e para conhecimento do seu comportamento hemodinâmico, inúmeros experimentos têm sido realizados. Serão vistos na seção seguinte.
2.4. ANÁLISE EXPERIMENTAL DO FLUXO ATRAVÉS DE
PRÓTESES DE VÁLVULAS CARDÍACAS
Além dos aspectos da durabilidade e da resposta biológica ao implante, a maior parte das complicações relacionadas ao desempenho das próteses de válvulas cardíacas é devida aos distúrbios que induzem no escoamento. Deste modo, a sua caracterização hidrodinâmica é um auxílio muito importante no projeto de novas próteses (YOGANATHAN, HE e JONES, 2004). Duas são as formas de caracterizar hidrodinamicamente o fluxo que passa através das próteses cardíacas: a experimental e a teórica ou matemática (CHEW et al., 2001; YOGANATHAN, CHANDRAN e SOTIROPOULOS, 2005). Esta seção trata da primeira abordagem: a experimental, que coincide com o escopo deste trabalho. A segunda, de enfoque numérico ou computacional, será tratada brevemente na seção 2.5.
Quando considerados os problemas induzidos pelo escoamento, três são os critérios para avaliar o desempenho hemodinâmico das próteses valvulares: devem ter o funcionamento eficiente e proporcionar carga mínima para o coração, devem ser duráveis e manter a eficiência para o tempo de vida do paciente, e não devem causar danos aos componentes celulares do sangue nem estimular a formação de trombos (CHEW et al., 2001).
Concretamente espera-se que essas próteses possam: a) produzir mínimos decréscimos de pressão; b) induzir volumes de refluxo relativamente pequenos; b) minimizar a produção de turbulência; c) não induzir regiões de alta tensão de cisalhamento, e d) não criar regiões de estagnação e de separação do fluxo nos campos de vazão interiores ou vizinhos (YOGANATHAN, HE e JONES, 2004).
A fim de conhecer as características de cada prótese, que induzem perfis de velocidades e de tensões específicos no escoamento, os ensaios laboratoriais devem atender algumas padronizações, a fim de permitir a comparação entre os modelos de válvulas submetidos às mesmas condições. Essas informações são de grande interesse clínico, científico e industrial. O critério de padronização desses ensaios foi estabelecido pela norma internacional ISO 5840 (AMERICAN NATIONAL STANDARD, 2010). Além disso, algumas orientações foram sugeridas pelo FDA (U.S. FOOD AND DRUG ADMINISTRATION, 2010).
A seguir são vistos os tipos de ensaios pertinentes à análise de desempenho hidrodinâmico de próteses de válvulas cardíacas.
2.4.1. Tipos
de
ensaios
experimentais,
de
bancadas
hidrodinâmicas e de instrumentação pertinente
Para estudar o comportamento hidrodinâmico de próteses de válvulas cardíacas, dois tipos de bancadas hidrodinâmicas foram desenvolvidos para
simulação in vitro, concretizando duas classes de testes laboratoriais: ensaios de fadiga e de desempenho.
Os ensaios de fadiga são destinados à avaliação da durabilidade das próteses, com simulações aceleradas do fluxo pulsátil, proporcionando a abertura e o fechamento das válvulas em cerca de 2.100 batimentos por minuto (CHANDRAN, 2001).
Os ensaios de desempenho são subdivididos em dois tipos, de acordo com o regime de escoamento que é proporcionado: permanente ou pulsátil. A eficácia destes ensaios depende tanto da versatilidade das próprias bancadas experimentais como da instrumentação a elas acoplada.
Os ensaios de desempenho em fluxo permanente dão uma mostra prévia da aceitabilidade das próteses e permitem estudos comparativos entre diferentes modelos valvulares (CHEW et al., 2001). Neles é possível verificar as turbulências do escoamento, os gradientes de pressão transvalvulares e quantificar velocidades através de equipamentos de anemometria (HAGGAG, 1989; LIM et al., 1998; MARASSI et al., 2004; MORSI, SAKHAEIMANESH e CLAYTON, 1999; PINOTTI e FARIA, 2006; VIEIRA et al., 1999). Entretanto, estes ensaios não se prestam a analisar inúmeras condições de interesse clínico como o conhecimento do funcionamento dinâmico das próteses e a avaliação quanto às parcelas de fluxo retrógrado (CHEW et al., 2001).
Os ensaios de desempenho em fluxo pulsátil, destinados ao estudo detalhado do comportamento valvular ao longo do ciclo cardíaco, partem de sistemas capazes de reproduzir diversos estados ventriculares e constituem assim uma referência para situações clínicas (CHANDRAN, 2001; CHEW et al., 2001; YOGANATHAN, CHANDRAN e SOTIROPOULOS, 2005).
Sobretudo nos ensaios de desempenho, a instrumentação implica no uso de transdutores de pressão e medidores de fluxo, tratados em geral via um sistema de aquisição de dados. O grau de detalhamento desejado para o fenômeno exige uma instrumentação conveniente em função das variáveis de interesse. Para o detalhamento na medição do fluxo, técnicas e equipamentos de velocimetria se fazem necessários. Concretamente, essas quantificações podem ser feitas com o anemômetro de fio quente (Hot Film Anemometer, ou HFA), o anemometro laser Doppler (Laser Dopler Anemometer, ou LDA) e a técnica de velocimetria por imagens de partículas (Particle Image Velocimetry, ou PIV), sendo preferíveis as técnicas de velocimetria não invasivas: velocimetria laser (como o LDA e o PIV). As vantagens e desvantagens de cada técnica podem ser vistas em CHEW et al. (2001). Os equipamentos LDA permitem verificar também as tensões de cisalhamento no escoamento.
Os ensaios de fadiga e de fluxo permanente não serão abordados especificamente nesta seção. Os ensaios de desempenho em regime de fluxo
pulsátil serão vistos a partir da seção seguinte, a começar por uma breve revisão sobre os sistemas capazes de mimetizar os estados ventriculares: os duplicadores de pulso.