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ULTRASSOM TERAPÊUTICO: Uso clínico em consolidação de fraturas

Apresentação

A aplicação terapêutica do ultrassom foi estudada pela primeira vez em 1924, quando Wood e Loomis descreveram as alterações biológicas relacionadas ao tratamento ultrassônico, porém o primeiro uso do termo ultrassonografia foi verificado em 1958, quando uma equipe liderada por Ian Donald,  utilizou o ultrassom como uma ferramenta diagnóstica na prática da obstetrícia. [1] Atualmente, diversos benefícios são verificados em uma ampla variedade de usos do ultrassom.  Grandes avanços tecnológicos e de engenharia foram observados desde a sua criação e tudo isso permitiu que o ultrassom se tornasse uma modalidade terapêutica. Mais classicamente, o ultra-som terapêutico contínuo tem sido usado para tratar uma variedade de patologias musculoesqueléticas, como osteoartrite, patologia dos tecidos moles e dor miofascial. [2, 3]  Neste Ebook, os principais objetivos serão: 1- elucidar os princípios e teorias físicas que embasam as terapias por ultrassom; 2- compreender as interações entre o ultrassom e o tecido biológico; 3-  apontar as indicações de uso no tratamento de consolidação de fratura; 4- descrever dosimetria básica; 5- atentar para as preocupações de segurança.

Capítulo 1

CIÊNCIA BÁSICA E PLAUSIBILIDADE BIOLÓGICA.

Nesse capítulo você verá:

  • Princípios e teorias físicas do Ultrassom e sua interação com tecido biológico.
  • Plausibilidade biológica do uso do Ultrassom no processo de consolidação de fratura.
  • Efeitos fisiológicos do campo ultrassônico no tecido ósseo.
  • Resultados de pesquisas em modelo in vitro e in vivo animal da consolidação de fraturas facilitada por ultrassom terapêutico.

O termo Ultrassom refere-se a ondas de pressão com uma frequência superior a 20.000 Hz (20KHz), podendo ser classificado de acordo com sua intensidade e frequência. Intensidades inferiores a 5W/cm2 são consideradas como baixa intensidade, enquanto intensidades superiores e 5W/cm2 são considerados de alta intensidade; já a classificação pela frequência se dá caracterizando emissões abaixo de 500KHz como baixa frequência versus emissões acima de 500 KHz com alta frequência. Os dispositivos de ultrassom utilizados na Fisioterapia utilizam frequências 1 a 3 MHz, que variam de acordo com a profundidade a ser atingida, podendo ser emitido no regime contínuo ou pulsátil com taxa de pulso de 1:1 (50% de ciclo de trabalho) ou 1:4 (20% de ciclo de trabalho) com a seleção variando de acordo com a fase inflamatória. [4] [5]

O uso do ultrassom na Fisioterapia musculoesquelética expandiu-se rapidamente nas últimas quatro décadas. No campo da patologia dos tecidos moles, apesar de evidências ainda serem contraditórias, o ultrassom tem sido amplamente adotado para o tratamento da sinovite em distúrbios inflamatórios articulares, tendinopatias agudas e crônicas, rupturas traumáticas musculares e em derrames intra-articulares. No entanto, o ultrassom não é utilizado rotineiramente no tratamento de fraturas, mesmo com robusto nível de evidência favorecendo o seu uso. [6, 7]

As diferenças entre a terapia por ultrassom convencional e a terapia por ultrassom pulsado de baixa intensidade (LIPUS) são quase que exclusivamente em seus parâmetros moduláveis. Talvez o que mais chame a atenção seja a duração do tratamento com LIPUS que costumeiramente chega a 20 minutos em modo estacionário (sem que haja a movimentação do cabeçote). Na terapia de cicatrização óssea, geralmente, indica-se aplicação diária e por períodos mais longos. A terapia por LIPUS é tipicamente caracterizada pela frequência de 1,5 MHz, intensidade espacial média e temporal média (SATA) de 30mW/cm2 (explicado com mais detalhes no capítulo 3) e ciclo de repetição de 20%, existindo um equipamento exclusivamente com esses parâmetros e com preço cerca de 4-6x maior que os equipamentos de ultrassom convencionais. Embora, esses parâmetros tenham sido testados em um volume expressivo de trabalhos in vitro, outros autores defendem que parâmetros possíveis de serem modulados em equipamentos convencionais (logo mais baratos), com frequência de 1MHz, intensidade espacial média e temporal de pico (SATP) de 0.1W/cm2 (explicado com mais detalhes no capítulo 3) e ciclo de repetição de 20% também produzem o mesmo efeito biológico [8].

O uso do ultrassom pulsado de baixa intensidade como auxiliar no manejo da cicatrização de fraturas novas ou em atraso/pseudoartrose ainda é tido por muitos como controverso. Trabalhos mais recentes investigando o mecanismo de ação do ultrassom pulsado de baixa intensidade na cicatrização de fraturas propuseram múltiplos efeitos celulares. Tem sido relatado que o feixe ultrassônico irradiado em tecido ósseo induz a proliferação de células ósseas semelhantes a pré-osteoblastos e a diferenciação de células-tronco mesenquimais para a osteogênese.[9] Outros estudos apontam que a estimulação por ultrassom na osteogênese ocorre por mecanotransdução de osteócitos e osteoblastos [10,11] por vias de sinalização da integrina  e piezo canais de íons [12, 13], levando a um ambiente inflamatório agudo local mais aprimorado e subsequente favorecimento a cicatrização de fraturas [14].

Elucidar as vias de sinalização, pelas quais o ultrassom tem potencial de modulação, é fundamental para o entendimento do mecanismo de ação dessa terapia. Das diversas vias de sinalização existentes, a interferência do campo ultrassônico em algumas dessas vias já foram amplamente estudas e uma breve revisão será feita a seguir.

As integrinas (mecanorreceptores evolucionários) são expressas por vários tipos de células e convertem sinais mecânicos em respostas bioquímicas [15]. Postula-se que as integrinas sejam componentes-chave na transdução do sinal mecânico do ultrassom [16]. Demonstrou-se que a expressão superficial aumentada das integrinas α2, α5, β1 e β3 e o agrupamento das integrinas β1 e β3 são positivamente regulados nos osteoblastos de ratos dentro de 24 horas após o tratamento com ultrassom por 20 minutos [17]. Após a exposição ao ultrassom, a expressão gênica de integrinas α2, α5 e β1 também foram positivamente reguladas de forma significativa em osteoblastos isolados de ossos longos de camundongos. [18]

A Ciclo Oxigenase do tipo 2 (COX-2) enzima responsável pela formação de importantes mediadores inflamatórios incluindo prostaglandinas, prostaciclinas e tromboxanos, tem sua expressão modulada pelo tratamento por ultrassom através de vias de sinalização da FAK e MAPK, ERK1/2, PI3K e AKT quinases em osteoblastos de roedores. Essas vias de sinalização foram antagonizadas quando as células foram tratadas com inibidores das integrinas, e não foi observada uma fosforilação aumentada das proteínas após a exposição ao ultrassom, mostrando que as integrinas servem como um elo importante para a conversão do sinal mecânico em sinalização intracelular. [19]

O óxido nítrico (NO), desempenha um papel importante para a formação óssea em resposta à carga mecânica [20]. Demonstrou-se que a regulação positiva da produção de NO em resposta ao ultrassom está envolvida na regulação da expressão do fator de crescimento do endotélio vascular (VEGF) em osteoblastos humanos [21,22]. Além disso, já foi estabelecido que esse aumento é regulado pela óxido nítrico sintase II (iNOS). As vias de sinalização envolvidas na regulação da expressão da iNOS em pré-osteoblastos de roedores também já foram  investigadas e verificou-se que o ultrassom induz a expressão de iNOS pela via canônica de NF-kB nessas células.[23]

Células mesenquimais chamadas de pluripotentes possuem a capacidade de gerar células dos folhetos embrionários, ou seja, do ectoderma, mesoderma e endoderma. Alguns experimentos já demostraram que a linhagem de células mesenquimais pluripotentes de roedores pode ser convertida em linhagem osteoblástica ou condroblástica quando são irradiadas por ultrassom, e isso ocorre pela ativação das vias p38 e ERK1/2 e MAPK quinase.[24]

Os condrócitos são células mecanossensíveis que necessitam de estímulos mecânicos para crescimento e função adequados. O ultrassom tem potencial enquanto técnica para fornecer estresse mecânico; portanto, os componentes de sinalização intracelular das vias de mecanotransdução que transmitem o estímulo mecânico extracelular aos mecanismos reguladores de genes intracelulares são fundamentais para melhor entendimento do seu mecanismo de ação. Já foi investigado e percebeu-se que o ultrassom causa uma fosforilação mais intensa da FAK, Src, p130Cas, CrkII e ERK1/2 em culturas primárias de condrócitos humanos, sugerindo que essa via está envolvida no mecanismo de mecanotransdução induzido pelo Ultrassom [25]. Além disso o aumento da taxa de proliferação de condrócitos articulares de suínos em resposta ao Ultrassom já foi verificado e foi associado à via Integrina/PI3K/AKT.[26]

Alguns estudos avaliaram o efeito do ultrassom logo após a fratura óssea em modelo animal. Foi verificado importante influência da estimulação ultrassônica na proliferação de fibroblastos dentro de 24 horas após a exposição [27,28,29]. Outros estudos perceberam que a formação do hematoma no traço de fratura é acompanhada pela liberação de fatores quimiotáticos, recrutando células inflamatórias, células quiescentes e outros progenitores [30].  É interessante perceber que o uso do ultrassom sobre o traço da fratura tem potencial de recrutamento de osteoprogenitores locais e precursores osteogênicos da circulação sistêmica para o local da fratura já verificados em modelo animal com camundongos.[31]

Outro processo comumente estudado em pesquisas envolvendo ultrassom e cicatrização de fratura é o seu potencial de influenciar no processo de angiogênese. O fator de crescimento endotelial vascular (VEGF) é um participante crítico na angiogênese, sendo uma proteína de sinalização produzida pelas células que estimula a formação de vasos sanguíneos, regulando a mitogênese e o recrutamento de células endoteliais [32]. O aumento de produção de VEGF em osteoblastos mandibulares humanos, monócitos de tecido sanguíneo humano [28] e osteoblastos humanos  [22] também já foram reportados em resposta ao ultrassom.

Além do VEGF, a Interleucina 8 (IL-8) e o fator de crescimento derivado de plaquetas (PDGF) exercem um importante papel na formação de novos vasos sanguíneos a partir da vasculatura pré existente. A IL-8 é uma citocina conhecida por induzir a proliferação e migração de células endoteliais e o PDGF é um conhecido fator mitogênico para células tronco mesenquimais e osteoblastos. Foi demonstrado que o ultrassom regula positivamente a secreção de IL-8 em osteoblastos de mandíbula de humanos [28] e a expressão do gene IL-8 em pré-osteoblastos de roedores. [33] Assim como, em culturas de osteoblastos e células endoteliais humanas, verifica-se níveis mais altos de secreção do PDGF após exposição ao ultrassom. [34, 35]

O hormônio Fator de Crescimento semelhante a Insulina do tipo 1 (IGF-1) tem fundamental importância no processo chamado Osteogênese, por estimular o crescimento de células ósseas e promover a regeneração. O IGF-1 medeia a expressão do osterix (Osx), um fator de transcrição envolvido na diferenciação de pré-osteoblastos em osteoblastos maduros [36, 37]. Achados interessantes apontam que o mRNA do fator de crescimento semelhante à insulina-1 (IGF-1) é regulado positivamente pelo ultrassom tanto na linha celular derivada da medula óssea quanto em osteoblastos de roedores [38]. Provavelmente como consequência disso também percebe-se expressão positiva de Osx, em uma linha celular derivada de osteossarcoma de rato, que expressou um fenótipo osteoblástico, após exposição ao Ultrassom. [39]

A família de fatores de transcrição da proteína ativadora 1 (AP-1) demonstrou estar envolvida em uma ampla variedade de processos celulares, incluindo proliferação celular, expressão de genes celulares e virais, morte celular, sobrevivência, diferenciação e osteogênese. Esse complexo fator transcricional AP-1 é formado a partir da combinação das proteínas c-jun e c-fos [40].  A regulação inicial precoce dessas proteínas, bem como outros marcadores osteogênicos importantes como: osteonectina (ON), osteopontina (OPN), sialoproteína óssea (BSP), fosfatase alcalina (ALP), proteína morfogenética óssea 2 (BMP- 2), foram demonstradas em células com fenótipo osteoblástico após a exposição ao ultrassom. [38, 41, 42, 43]

Outro efeito interessante do ultrassom se dá na expressão dos genes Dlx5 e Msx2. Sabe-se que a proteína homeodomínio Dlx5 é um ativador do Runx2 (um importante regulador da osteogênese) e acredita-se ser um importante regulador da formação óssea sendo importante para a diferenciação e maturação dos osteoblastos [45], enquanto o Msx2  é um fator de transcrição de homeodomínio identificado pela primeira vez em ossos craniofaciais e osteoblastos femorais humanos, exercendo anabolismo ósseo e promovendo diferenciação osteogênica dos progenitores esqueléticos, sendo expresso durante a proliferação de osteoblastos [46]. A expressão gênica aumentada de Dlx5 e Msx2 foi observada nas primeiras 2 semanas de tratamento com Ultrassom em células semelhantes a osteoblastos de ratos [39].

Durante o reparo ósseo, as células tronco mesenquimais em proliferação começam a se diferenciar em condrócitos e a ossificação endocondral começa a acontecer de forma mais expressiva. Foi verificado que o ultrassom de baixa intensidade emitido em modo contínuo promoveu expressão melhorada dos marcadores condrogênicos Col-2, aggrecan (proteoglicano) e Sox-9 (um gene que codifica um fator de transcrição proeminente para diferenciação de condrócitos) nas semanas 1 e 2 em células tronco de coelho[46]. Em ensaios in vitro com células tronco, percebeu-se que quando as mesmas eram estimuladas com ultrassom por 40 min/dia durante 1 semana, apresentaram como resultado um fenótipo condrogênico mais pronunciado, expressando marcadores condrogênicos (agrecan, Col-1, Col-2 e Col-10) de forma mais acentuada [47]. Também se sabe que ultrassom impacta na diferenciação de condrócitos primários de rato e porco nas primeiras 2 semanas de tratamento e essas maiores expressões são reguladas por TGF-β, TGF-βR1, PG, Col-2 e Col-9 [48, 49, 50]. E além disso, alguns estudos postularam que aumento dos proteoglicanos nos condrócitos de ratos tratados por ultrassom e que esse mecanismo acontecia governado pelo aumento da concentração intracelular de Ca2+. [51]

A aplicação do ultrassom no tratamento ósseo demonstrou ser eficaz em todos os estágios da cicatrização das fraturas: modulando a inflamação, potencializando vascularização, ativando mecanismos de condrogênese e ossificação. Vários efeitos explicam essa eficácia, como o aprimoramento dos osteoblastos, promoção de calcificação da matriz, angiogênese e formação de calos através da estimulação da expressão e entrega de citocinas; também como a estimulação do recrutamento, diferenciação e maturação de células-tronco mesenquimais com migração para os locais de fratura, e fatores de crescimento relacionados à angiogênese,  e por fim promoção da ossificação endocondral, possivelmente através de forças mecânicas semelhantes à carga física doadas pelo ultrassom.

Embora os estudos in vitro não sejam apropriados para identificar toda a complexidade dos efeitos biológicos e clínicos, eles são interessantes para estudar mecanismos específicos de ação e suas respectivas vias de sinalização. Todo esse entendimento do potencial do ultrassom em interferir de forma positiva nos mecanismos envolvidos no processo de consolidação de fratura garante uma boa plausibilidade biológica que justifica a geração de hipóteses clínicas para seu uso. No próximo capítulo os ensaios clínicos conduzidos em humanos serão revistos direcionando assim a prática clínica. No entanto, é preciso ter muito cuidado com os parâmetros do Ultrassom configurados nos experimentos in vitro ou em modelo animal, de forma que exige-se muita cautela na hora de transpor essas configurações para ensaios em humanos. Em seguida, deve ser possível derivar uma “dose acústica” necessária para respostas específicas e transferir essas descobertas in vitro para aplicações in vivo em diferentes profundidades, logo com dosimetrias personalizadas.

Efeitos biológicos causados pelo Ultrassom
Osteoblastos expressão integrinas α2, α5, β1 e β3. mecanotransdução.
fosforilação FAK, MAPK, ERK1/2 e AKT.Modulação da COX-2.
ativa via canônica NFkβ e  iNOS.NO; VEGF; angiogênese.
  expressão Dlx5 e Msx2.diferenciação e maturação; diferenciação osteogênica.
  c-jun, c-fos, AP-1. proliferação celular; expressão genética; diferenciação; osteogênese.
  expressão do gene da IL-8. proliferação e migração de células epiteliais; angiogênese.
Células Tronco MesenquimaisAtivação das vias p38, MAPK e ERK1/2. linhagem osteoblástica; linhagem condroblástica.
expressão Col-1, Col-2, Col-10, agrecan e SOX9.  aumento de diferenciação condrócitos; ossificação endocondral.
  Ca2+ intracelular.  proteoglicanas.
Condrócitos  Fosforilação FAK, Src, pl30Cas. CrkII, ERK1/2.  da linhagem osteoblástica; da linhagem condroblástica.
Ativação da via Integrina/Pl3K/AKT. mecanotransdução; proliferação de condrócitos.

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Capítulo 2

APLICABILIDADE CLÍNICA

Nesse capítulo você verá:

  • Revisão de ensaios clínicos em humanos.
  • Revisões sistemáticas com meta análises.
  • Posicionamento do Instituto Nacional de Excelência em Saúde e Cuidados (NICE) do Reino Unido.

            Com o objetivo de comparar os efeitos do ultrassom pulsado de baixa intensidade (LIPUS) com os campos eletromagnéticos pulsados ​​(PEMF) na cicatrização de fraturas foi realizada uma revisão sistemática de trabalhos originais do tipo ensaios clínicos, publicados na Journal of Athletic Training [1]. Após a aplicação dos filtros de busca, 17 artigos foram avaliados independentemente por 2 revisores. Os artigos foram excluídos se não obedecessem os seguintes critérios: 1- alocação aleatória de tratamentos, 2- inclusão de pacientes esqueleticamente maduros de ambos os sexos com uma fratura atual, 3- cegamento do paciente e dos avaliadores quanto ao grupo de tratamento, 4- administração de LIPUS ou PEMF para um dos grupos de tratamento, 5- avaliação do tempo até a cicatrização de fraturas ou proporção de fraturas curadas, conforme determinado radiograficamente, clinicamente ou ambos. Com isso, oito ensaios preencheram os critérios de inclusão. A qualidade metodológica de todos os ensaios foi avaliada usando os critérios PEDro.

Como resultado percebeu-se que a heterogeneidade entre os estudos impediu a comparação direta da eficácia do LIPUS com a do PEMF. Porém verificou-se que os estudos incluídos eram geralmente de alta qualidade metodológica, sugerindo que o LIPUS pode acelerar a cicatrização de fraturas.  Atualmente, a eficácia desse tratamento é melhor apoiada pelos ensaios clínicos randomizados e controlados de fraturas agudas da tíbia. Sendo necessário, portanto, ensaios clínicos controlados para avaliar o manejo de fraturas agudas em outras peças ósseas.

Um estudo randomizado, multicêntrico, duplo-cego placebo controlado, publicado na BMC Musculoskeletal Disorders, avaliou o potencial do ultrassom pulsado de baixa intensidade (LIPUS) em influenciar positivamente a cicatrização fraturas de união tardia; o estudo foi realizado em fraturas do eixo da tíbia [2]. O status de “fratura de união tardia” foi definido em termos de idade da fratura sem consolidação maior que 4 meses. O estudo incluiu 101 pacientes que foram randomizados e duplo-cegos para o grupo LIPUS e um grupo placebo (ultrassom modificado que não emitia o feixe). A idade dos participantes variou de 14 a 70 anos; Todos os pacientes de ambos os grupos usaram o ultrassom ou o ultrassom placebo no grupo controle por 20 minutos por dia, durante um período de 16 semanas.

            A área do gap de fratura e a densidade óssea foram examinadas por tomografia computadorizada (TC). A TC foi realizada antes do início do estudo e após 16 semanas. Além disso, foram realizadas radiografias adicionais após um mês, dois e três meses. As características demográficas dos pacientes (idade, sexo, precauções cirúrgicas e tabagismo) foram amplamente comparáveis ​​nos grupos de intervenção e controle; somente os participantes do grupo controle apresentaram um índice médio de massa corporal mais alto.[2]

            O grupo que realizou ultrassom mostrou uma melhora significativa na densidade óssea comparado ao grupo placebo. Outra vantagem estatisticamente significativa do grupo que realizou ultrassom foi a redução na área do gap de fratura. Clinicamente, após as 16 semanas de tratamento, uma consolidação sólida foi encontrada em 65% dos pacientes que realizaram ultrassom, em comparação com 46% do grupo controle. Concluiu-se, portanto, que o LIPUS melhorou significativamente o processo de cicatrização em pacientes com fraturas de união tardia, motivo pelo qual é recomendado o uso de LIPUS para essa condicação.[2]

Uma interessante revisão sistemática com meta-análise, publicada na Injury, avaliando o LIPUS em pseudoartrose [3]; 13 estudos foram utilizados e um total de 1441 pseudoartroses foram incluídos no estudo. As seguintes conclusões foram extraídas dos dados: A pseudoartrose hipertrófica mostrou uma melhor tendência para cicatrizar com o LIPUS do que a pseudoartrose atrófica biologicamente inativa.[3]

No estudo, um intervalo sem cirurgia de 3 a 6 meses antes do LIPUS foi associado a uma melhor cicatrização. Não houve diferença significativa entre a pseudoartrose dos ossos longos das extremidades superior e inferior. Em conclusão, o LIPUS é recomendado como uma alternativa às medidas cirúrgicas para intervenção em pseudoatroses.[3]

Como sabido, as fraturas escafóides são um grande desafio dentro da pr[atica clínica traumatológica, pois progridem para pseudoatrose em até 15% da vezes quando não deslocadas, e tem pior prognóstico ainda quando a fratura é deslocada. O tratamento padrão nesses casos é cirurgico; no entanto, muitos indivíduos não conseguem se submeter a essa opção, ou ainda, muitos desejam tentar medidas conservadoras.

Como já foi apresentado o LIPUS se mostra favorável para um bom desfecho nesses pacientes, com isso, um estudo publicado na Revista Hand teve como objetivo realizar uma meta-análise abrangente da literatura relevante para determinar o sucesso do uso de LIPUS no tratamento de pseudoartroses de escafoide. Avaliou-se um total de 686 estudos que atenderam aos critérios de pesquisa inicial. Foram excluídos estudos que relataram: 1- menos de 5 casos, 2- aqueles não publicados em inglês, 3- aqueles não relacionados ao tratamento não-cirúrgico do escafoide com LIPUS e 4- aqueles sem dados suficientes. Com isso, cinco estudos preencheram os critérios e a análise estatística foi realizada para determinar as taxas gerais de união.[4]

Foi verificado que o uso de LIPUS em 166 pseudoartroses atingiu um índice de cicatrização de 78,6%. O tempo médio de união após o tratamento foi de 4 meses. Com esses resultados encorajadores, sobre fraturas desafiadoras e pseudoatroses solucionadas sem intervenção cirúrgica na maioria dos pacientes o estudo concluiu que o LIPUS pode servir como uma alternativa não cirúrgica ao tratamento de pseudoartrose de escafoide.[4]

O estudo com recomendação clínica mais recente foi realizado em 2019 (disponível on-line: www. Nice.org.uk) como parte de um processo de revisão do National Institute for Health and Care Excellence (Instituto Nacional de Excelência em Saúde e Cuidados (NICE) do Reino Unido). O argumento para a adoção do sistema de cicatrização óssea por ultrassom de baixa intensidade para tratar fraturas de ossos longos com atraso de cicatrização (falha após 9 meses) é apoiado pela literatura, que mostra altas taxas de cicatrização de fraturas. Também é defendido que tratamento de pseudo artroses está associado a uma economia de custos estimada de £2.407 por paciente em comparação com o manejo atual (aproximadamente R$15.750, pela cotação atual), evitando a cirurgia na maioria dos casos. [6]

Além disso existem evidências radiológicas de melhora na cicatrização quando o uso do ultrassom é usado para fraturas ósseas longas com cicatrização atrasada (falha de evidência radiológica de cicatrização após 3 meses), apresentando alta taxa de resolução da fratura sem necessidade de cirurgia. Com essa diminuição dos procedimentos secundários (cirurgias), consequentemente redução dos riscos de complicações clínicas e também da redução dos custos financeiros estabelece-se o uso do ultrassom como modalidade indicada para o tratamento de fraturas.[6]

Além da acreditação da NICE sistemas de cicatrização ósseo por ultrassom também possuem aprovação pelo Food and Drug Administration (FDA) nos Estados Unidos desde 2006. FDA é uma agência federal do departamento de Saúde e Serviços Humanos dos Estados Unidos, responsável por aprovar o uso de dispositivos eletrônicos na área da saúde em solo americano. Segundo a recomendação, o aparelho de ultrassom pulsado de baixa intensidade demonstrou-se em estudos in vitro e in vivo que é capaz de promover estímulos as células a produzir fatores de crescimento e proteínas importantes para a cicatrização óssea. A recomendação de administração do tratamento, uma vez ao dia, por 20 minutos, ou conforme prescrição.[7]

AplicaçãoIndicaçõesParâmetrosResultados
FraturasFraturas frescasFreq.: 1.5MHz Intensidade (SATA): 30mW/cm2. Ciclo de trabalho: 20% Tempo: 20 minutos ou Freq.: 1 MHz Intensidade (SATP): 0.1-0.2W/cm2. Ciclo de trabalho: 20% Tempo: 20 minutos tempo de cicatrização
Fraturas com atraso taxa de cicatrização nas fratura com atraso
taxa de cicatrização nas pseudoartroses
Pseudoartroses necessidade de cirurgias

Figura 1. Quadro com indicações, parâmetros e resultados do Ultrassom em fraturas.

Referências:

1- Walker N, Denegar C, Preische J. Low-Intensity Pulsed Ultrasound and Pulsed Electromagnetic Field in the Treatment of Tibial Fractures: A Systematic Review. J Athl Train. 2007 Oct-Dec; 42(4): 530–535.

2- Schofer M, Block J, Aigner J et al. Improved healing response in delayed unions of the tibia with low-intensity pulsed ultrasound: results of a randomized sham-controlled trial. BMC Musculoskelet Disord. 2010 11:229.

            3- Leighton R, Watson T, Giannoudis P et al. Healing of fracture nonunions treated with low- intensity pulsed ultrasound (LIPUS): A systematic review and meta analysis. Injury 2017;48:1339–1347.

4- Seger EW, Jauregui JJ, Horton SA, Davalos G, Kuehn E, Stracher MA. Low-Intensity Pulsed Ultrasound for Nonoperative Treatment of Scaphoid Nonunions: A Meta-Analysis [published online ahead of print, 2017 Apr 1]. Hand (N Y). 2017;13(3):275-280.

5- Warden SJ, Fuchs RK, Kessler CK, Avin KG, Cardinal RE, Stewart RL. Ultrasound produced by a conventional therapeutic ultrasound unit accelerates fracture repair. Phys Ther. 2006 Aug;86(8):1118-27.

6- EXOGEN ultrasound bone healing system for long bone fractures with non-union or delayed healing. Disponível em: https://www.nice.org.uk/guidance/mtg12/chapter/1-Recommendations. Acesso em: 11 de abr. de 2020.

7- EXOGEN® Ultrasound Bone Healing System 71034400. Disponível em: https://fda.report/GUDID/M937710344001. Acesso em: 11 de abr. de 2020.

Capítulo 3

DOSIMETRIA APLICADA AO TRATAMENTO DE FRATURAS

Nesse capítulo você verá:

  • Revisão de conceitos físicos que impactam na dosimetria do ultrassom
  • Prescrição dos parâmetros do ultrassom para consolidação de fraturas
  • Programação do equipamento convencional de ultrassom para o tratamento de fraturas.

O Ultrassom é uma energia acústica, emitida em alta frequência, acima da frequência do som audível, o que justifica o seu nome. O som audível pelos seres humanos é emitido numa banda de frequência que varia de 16 – 20000Hz, toda energia acústica emitida em frequências menores que 16Hz recebe o nome de infrassom e toda energia acústica emitida cima de 20000Hz recebe o nome de ultrassom. Alguns animais são capazes de captar infrassons (Elefantes e gatos) e ultrassons (morcegos e golfinhos). (Figura 1)

Figura 1. Infrassom, som e ultrassom com suas respectivas bandas de frequência.

Como sabido o transdutor do ultrassom (também referenciado no Brasil como cabeçote do ultrassom) é composto por um cristal de cerâmicas sintéticas, usualmente de Zircontato Titanato de Chumbo (PZT) de aproximadamente 2-3mm de espessura e com área variando entre 3-10cm2. A área do cristal que garantirá área de radiação efetiva (ERA) do ultrassom. Em condições ideais, a área do cristal deveria coincidir com a área do transdutor, porém regra geral, a área do transdutor é maior que a área do cristal. Esse cristal cerâmico tem a competência de converter a energia elétrica a ele destinada, em oscilações mecânicas geradas por perturbações em suas dimensões. A garantia esse fenômeno se dá por um efeito chamado piezoelétrico invertido, pois a medida que a corrente elétrica alternada passa pelo cristal, produz compressão e expansão da cerâmica. Essas mudanças na polaridade da corrente elétrica que leva as oscilações em alta frequência que caracterizam a onda ultrassônica propriamente dita, desse modo o efeito piezoelétrico invertido que cria o ultrassom na frequência desejada. (Figura 2)

Figura 2. Anatomia do transdutor de ultrassom e processo de geração ultrassônica pelo efeito piezoelétrico invertido do cristal.

            Um erro comum dentro da prática clínica é considerar que intensidades mais altas promovam aquecimento profundo e que intensidades mais baixas promovam aquecimentos superficiais. Entretanto, a profundidade atingida pelo campo ultrassônico é determinada pela sua frequência de emissão. Em frequências de 1MHz a energia é menos absorvida e mais transmitida, fazendo com o que essa energia atinja distâncias mais profundas, já em frequências de 3MHz a energia passa a ser mais absorvida e menos transmitida, com isso rapidamente os tecidos superficiais absorvem essa energia impedindo que o campo ultrassônico se aprofunde. Com isso, por possuir maior taxa de absorção o ultrassom emitido em 3MHz promove um pico de calor mais rápido e 3x maior quando comparado ao ultrassom emitido em 1MHz, porém de forma superficial.

            O campo ultrassônico pode ser gerado em dois modos, com emissão contínua ou pulsada dos feixes. No modo contínuo, os pulsos ultrassônicos são emitidos de forma interrupta o que caracteriza ciclo de trabalho em 100% do tempo, já no modo pulsado existem intervalos entre os pulsos podendo  caracterizar diversos ciclos de trabalho, como 10%, 20%, 25%, 33% e 50%, sendo mais comuns no Brasil equipamentos com 20% e 50%. Ao se escolher o modo pulsado com ciclo de trabalho (DC) de 50%, o fisioterapeuta assume uma taxa de pulso de 1:1, ou seja 1 pulso ligado para 1 desligado.  E ao se escolher o modo pulsado  com DC de 20%, o terapeuta assume  uma taxa de pulso de 1:4, ou seja 1 pulso ligado para 4 desligados. Por regra geral, a indicação desses parâmetros baseia-se no estágio inflamatório da condição a ser tratada, por exemplo, indica-se o modo contínuo para inflamações crônicas ou na fase de remodelagem, indica-se o modo pulsado 50% em inflamações na fase de reparo fibroblástico, e indica-se o modo pulsado 20% em fase inicial do processo inflamatório. (Figura 3)

Figura 3. Modos de operação do ultrassom. Observa-se graficamente os modos contínuo DC100%, pulsado DC50% com taxa de pulso de 1:1 e pulsado DC 20% com taxa de pulso de 1:4.

            Os feixes de ultrassom não se comportam de forma homogênea ao longo do seu eixo longitudinal no domínio do espaço, alguns pontos possuem maior intensidade do que outros em relação a intensidade espacial média (programada no equipamento). Essa taxa variação da intensidade do feixe é chamada de Beam Non-uniformity Ratio (BNR) e ela determina a qualidade do feixe ultrassônico. Em condições teóricas ideais a BNR deveria ser de 1:1, ou seja, a intensidade programada no equipamento deveria ser a mesma a ser entregue, sem variações. Porém na prática o que se observa são diversos valores de BNR nos equipamentos comerciais. Por exemplo, costumeiramente costuma-se ver equipamentos com BNR 8:1, isso significa que pode acontecer uma variação de pico espacial de intensidade de até 8x o valor da intensidade espacial média desejada. Os picos espaciais de intensidades relacionados a alta BNR são responsáveis por grande parte do desconforto ou dor periosteal associados ao tratamento com ultrassom. Logo, os melhores feixes de ultrassom são gerados em equipamentos que possuam valores de BNR baixos, predizendo assim mais homogeneidade no feixe. (Figura 4)

Figura 4. Beam Non-Uniformity Ratio. Representação gráfica da BNR alta (8:1) com pico espacial variando em até 8x, e da BNR baixa (2:1) com pico espacial variando em até 2x.

            Especialmente ao se utilizar o modo pulsado do ultrassom no tratamento de fraturas, um maior entendimento sobre domínio espacial e temporal da intensidade se faz necessário. Alguns conceitos básicos precisam ser definidos, a potência é tida como a capacidade total de realizar trabalho com a energia ultrassônica e é expressa em watts (W). Por sua vez a intensidade traduz como essa potência está sendo fornecida por unidade de área, comumente é expressa em watts por centímetro quadrado (W/cm2). Por exemplo se o ultrassom está sendo produzido com um potência de 21W e a ERA do transdutor é de 7cm2, a intensidade espacial média deve ser de 3W/cm2 (21W / 7cm2 = 3W/cm2). A intensidade de pico espacial como já visto pode ser estimada através dos valores BNR fornecidos no equipamento, sendo caracterizada com o maior valor de intensidade do feixe ultrassônico. Normalmente os equipamentos comerciais de ultrassom terapêutico apresentam em seu visor os valores de potência (W) e intensidade média espacial (W/cm2).

            Porém ao se utilizar o ultrassom no modo pulsado, além do domínio espacial, o domínio temporal também precisa ser levado em consideração. E alguns desses valores de intensidade temporais não são expressos no visor do ultrassom e são frequentemente reportados nos artigos científicos, gerando muita confusão da aplicação na prática clínica. A intensidade temporal de pico (TP) é definida como a intensidade máxima durante o  momento do pulso ligado do ultrassom, ela tem o mesmo valor da intensidade média espacial (SA), por isso costuma-se chama-la de Intensidade SATP (do inglês Sapatial Average Temporal Peak, média espacial e pico temporal), esse valor é apreciado no visor do ultrassom em W/cm2, e pouco reportado nos ensaios científicos. (Figura 5)

            Porém como já mencionado, no modo pulsado existem momento de pulso ligado e de pulso desligado, ou seja, a intensidade não se mantém constante durante a aplicação, logo valores médios da intensidade precisam ser calculados ao longo do tempo. Para esse cálculo necessita-se do conhecimento do DC selecionado para que seja multiplicado pelo valor de SATP. Por exemplo, supõe-se que está sendo utilizado o ultrassom no modo pulsado DC20% com uma Intensidade SATP de 0,2W/cm2, com isso a média temporal seria de 0,04W/cm2 (0,2W/cm2 x 20% = 0,04W/cm2  ou ainda 40mW/cm2). Com isso essa intensidade média temporal recebe o nome de Intensidade SATA (do inglês Sapatial Average Temporal Average, média espacial e média temporal), ela costumeiramente é reportada nos ensaios científicos de ultrassom pulsado e não consta na programação do visor na grande maioria dos ultrassons comerciais. (Figura 5)

Figura 5. Conceitos de intensidade no domínio espacial e temporal.

            Outro ponto importante para o sucesso terapêutico é a forma de entregar a energia ultrassônica. O terapeuta pode entregar essa energia movimentando o cabeçote de forma lenta e controlada, forma esta mais usualmente utilizada, chamada de aplicação dinâmica, ou ainda, a forma menos utilizada que é a aplicação estacionária, na qual o cabeçote permanece parado sobre a área de tratamento, durante todo o tempo preestabelecido. A aplicação dinâmica é recomenda principalmente nos modos contínuos e pulsados DC50%, nos quais as intensidades SATA poderiam ser suficientes para promover incrementos de temperaturas elevados que colocariam em risco a integridade tecidual. Com isso a movimentação do cabeçote dissiparia o calor prevenindo assim desconforto e lesões. A aplicação estacionária fica exclusivamente indicada no modo pulsado DC20% com intensidades SATA baixas, logo com pouca probabilidade de promover incremento de temperatura, descartando assim o risco de lesão tecidual.

DOSIMETRIA DEFENDIDA NOS ENSAIOS CLÍNICOS.

            A grande maioria das investigações clínicas reportam os seguintes parâmetros de modulação do Ultrassom de baixa intensidade:

Frequência: 1.5MHz.

Duty Cycle: 20%.

Intensidade SATA: 30mW/cm2.

Tempo de aplicação: 20 minutos.

Técnica de aplicação: estacionária.

            Num primeiro momento o leitor tem a impressão que esses parâmetros não poderiam ser programados em um equipamento de ultrassom convencional. Porém a literatura já aponta que equipamentos de ultrassom convencionais garantem boa resposta no tratamento de fraturas, desde que com a modulação correta.

A frequência do ultrassom convencional pode ser ajustada em 1MHz ou 3MHz, essa frequência determina apenas a qual profundidade o ultrassom chegará, no caso da escolha 1MHz assume-se que o feixe ultrassônico poderá ter uma ação profunda e no caso da escolha de 3MHZ o feixe poderá ter uma ação mais superficial. Ao se utilizar o ultrassom convencional para o tratamento de fraturas, o mesmo deverá ser programado para gerar o ultrassom com frequência de 1MHz.

            A modulação do DC em 20% é facilmente modulada em qualquer ultrassom comercial, e deverá ser respeitada. A intensidade SATA de 30mW/cm2 que acaba gerando confusão no momento de modular o equipamento convencional. A intensidade SATA não é diretamente modulada no equipamento, ela é o resultado da intensidade SATP multiplicada pelo DC. Por exemplo, para sabermos qual a Intensidade SATP que deverá ser programada no equipamento basta usar a fórmula:

I(SATA) = I(SATP) x DC%

            Então, como recomendado, o objetivo é entregar uma intensidade SATA de 30mW/cm2, usando-se um DC de 20%. O primeiro passo antes de aplicar os valores conhecidos na fórmula é converter mW/cm2 em W/cm2, logo:

 30mW/cm2 = 0,03W/cm2

Agora basta substituir.

I(SATA) = I(SATP) x DC%

0,03W/cm2 = I(SATP) x 20%

I(SATP) = 0,03W/cm2 / 20%

I(SATP) = 0,15W/cm2

Com isso deve-se programar o equipamento de ultrassom com I(SATP) igual 0,15W/cm2 (ou 0,2W/cm2) com DC igual a 20% o que garantirá uma I(SATA) de 30mW/cm2.

            E por fim, a aplicação estacionária por 20 minutos deverá ser respeitada e realizada sobre a pele tricotomizada e limpa com álcool, no local do traço de fratura na região mais superficial do osso. Recomenda-se aplicações diárias e acompanhamento radiológico para controle do processo de cicatrização.

            Abaixo, segue a programação a ser feita no equipamento convencional de ultrassom.

Frequência: 1MHz.

Duty Cycle: 20% com taxa de repetição do pulso em 100Hz.

Intensidade (SATP): 0,15W/cm2 ou 0,2W/cm2.

Tempo de aplicação: 20 minutos.

Técnica de aplicação: estacionária.

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