FRENTE 3

TENDA HOSPITALAR COM PRESSÃO NEGATIVA E EXAUSTÃO FILTRADA

O objetivo desta frente é evoluir o conceito proposto por profissionais da área de saúde de Manaus para contenção de aerossóis gerados durante a aplicação de oxigenioterapia suplementar e uso de Ventilação Não-Invasiva no tratamento de pacientes com COVID-19, bem como conter também o espalhamento de contaminantes gerados pelas atividades expiratórias normais do paciente quando não em terapia. Os elementos principais deste conceito são uma tenda instalada no entorno do paciente deitado no leito, um sistema de exaustão de ar forçado (ventilador) e um sistema de filtragem de alta eficiência (filtro HEPA) do ar exaurido da tenda.

 

Função / porque usar a tenda com exaustão:

 

A função da tenda e de seu sistema de exaustão com filtragem de alta eficiência é conter os aerossóis gerados durante a fisioterapia respiratória com o uso de ventilação não-invasiva no tratamento de pacientes com COVID-19, bem como conter também o espalhamento de contaminantes gerados pelas atividades expiratórias normais do paciente (fala, tosse e espirro) quando não em terapia.

Portanto, além de complementar a segurança proporcionada pelas máscaras adaptadas durante a fisioterapia, funcionando como uma segunda barreira de proteção, contendo eventuais vazamentos das máscaras, esse sistema também aumenta a segurança dos profissionais de saúde durante todo o tempo, por exemplo, durante a alimentação do paciente e mesmo durante o seu repouso, evitando assim que ocorra a disseminação de ar contaminado pelo vírus proveniente do paciente para o ambiente hospitalar.

Isso ocorre porque a exaustão foi dimensionada com margens consideráveis que garantem um grande número de trocas de ar e que, combinadas com a arquitetura e construção da tenda, garantem pressão negativa em seu interior de modo que não exista vazamentos do interior da tenda para o ambiente externo, existindo somente  infiltrações do ambiente externo para o interior da tenda e que todo ar exaurido da tenda seja filtrado e o vírus fique retido no filtro HEPA.

 

Tenda com pressão negativa:

O sistema de exaustão e a pressão negativa no interior da tenda garantem que todo o  fluxo do interior da tenda para  o ambiente externo e se dê pelo sistema de exaustão e filtragem, impedindo a saída do vírus em grande quantidade, e, isso mantem a equipe médica protegida.

 

Filtragem HEPA:

Combinada com a pressão negativa da tenda, a filtragem de toda a exaustão do ar da tenda utilizando filtros HEPA garante que os vírus que eventualmente estejam em suspensão no ar do interior da tenda proveniente do paciente fiquem retidos nesses filtros,  que removem pelo menos 99.97% das partículas em suspensão de 0.3 mícron de diâmetro, desempenho garantido por 3 mecanismos de retenção: interceptação, impacto e difusão.

O desafio, os requisitos e justificativas:

Tecnicamente existem três grandes desafios no projeto desse sistema:

  1. desempenho do par ventilador-filtro

  2. eficiência e a estanqueidade do filtro

  3. estanqueidade da tenda.

Além desses desafios, é fundamental que o sistema tenha baixo custo, seja simples para que possa ser produzido em diversas regiões do país, que seja leve e de fácil operação e manipulação, gere pouco ruído e que possa ser alimentado eletricamente pela rede local ou que possa ser facilmente adaptado para esse fim. Apesar da facilidade logística, é recomendável não utilizar os pequenos filtros utilizados nos ventiladores mecânicos, pois o seu uso reduziria a sua disponibilidade em um cenário em que já estão escassos e caros.

Esse conceito de proteção pode ser implementado seguindo uma estratégia que considera a utilização de tendas simples, ou seja, um ventilador, um filtro e uma tenda por paciente, bem como pode considerar uma versão do sistema de exaustão para múltiplas tendas, por exemplo, trabalhando com um conjunto ventilador-filtro de maior capacidade de vazão atendendo várias tendas.  A abordagem de tendas simples permite chegar a um produto mais simples, de menor investimento e de maior capilaridade para os diversos cenários e contextos do país, sendo uma solução interessante para o curto prazo. Já a abordagem multi-tendas permite trabalhar com produtos e tecnologias mais evoluídas e tornar o pacote mais atrativo uma vez que permite a diluição dos investimentos por leito, melhor aproveitamento da vida e eficiência dos filtros, podendo ser uma solução bastante adequada para o médio e longo prazo.

Desempenho do par ventilador-filtro: 

A seleção correta do par ventilador-filtro permite que se obtenha um nível adequado de vazão e se garanta que todo o ar exalado pelo paciente e insuflado pelo CPAP seja capturado, filtrado e exaurido com um número significativo de trocas de ar.  A seleção consiste da avaliação e combinação da curva de pressão-vazão do ventilador com a curva de perda de carga do filtro.

Tipicamente uma pessoa consome entre 5 e 20 LPM em sua respiração enquanto que o pico de vazão de um CPAP é de aproximadamente 60 LPM, vazões que serão expiradas em uma tenda com um volume de aproximadamente 0.5 m3. Arbitrando inicialmente um sistema que operasse com 120 LPM, teríamos uma boa margem que relação tanto à expiração do paciente quanto em relação a exaustão do CPAP e, por mais que não esteja contaminado, não sendo contida, poderia arrastar porções do ar expirado pelo paciente.  Esses 120 LPM significam 7 m3/h. Trabalhando com uma vazão um pouco maior, com 10 m3/h garantiríamos 20 trocas por hora, um número igual ao utilizado na aviação, 4 vezes maior do que aquele utilizado em hospitais, 20 vezes maior do que aquele utilizado em prédios comerciais e muito importante, um número igual ao utilizado em salas limpas. Portanto, 10 m3/h além de garantir boas margens em relação à exaustão no interior da tenda também garante um ambiente renovado no interior da tenda.

Definida a vazão, o desafio é identificar um elemento filtrante que proporcione segurança e cujas dimensões e estrutura minimizem a velocidade de escoamento e portanto minimizem a perda de carga para que se possa trabalhar com  ventiladores menores, mais leves e mais baratos que permitam conseguir os 10 m3/h e também aumentar a vida do filtro. Os fabricantes informam perdas de carga da ordem de 12 mmca para velocidades de 0.45 m/s, mas discussões com especialistas da área apontaram para a oportunidade de se trabalhar com filtros superdimensionados podendo-se chegar a perdas de carga da ordem de 5 mmca. As primeiras buscas por ventiladores de pequeno porte indicaram candidatos com altura manométrica entre 5 e 15 mmca para vazões da ordem de 10 m3/h. Considerou-se então 5 mmca como sendo a perda de carga para um filtro novo e 15 mmca a perda de carga para um filtro em final de vida, sendo a vida determinada pela altura manométrica do ventilador, uma vez que mecanicamente o papel do filtro resistiria até 60 mmca. O aumento da perda de carga com o tempo em função da contaminação é outro motivo para se evitar o uso dos pequenos filtros utilizados em ventiladores mecânicos, como são pequenos a sua vida é curta, especialmente quando são utilizados ventiladores pequenos e leves que possuem altura manométrica limitada.

Os cálculos iniciais mostraram que um filtro com seção frontal de 200 x 200 mm e um pack ou de 50 mm ou de 80 mm garantiriam uma perda de carga pequena o suficiente. É importante destacar que quanto maior o pack, menor é a perda de carga do filtro, isso ocorre porque a área de passagem real do filtro aumenta com o aumento do pack, a largura efetiva aumenta e a portanto a velocidade local é reduzida. 

 

 

 

Embora o que determine a velocidade local e portanto a perda de carga seja a área efetiva, que é função do pack, por questões de simplicidade e praticidade é comum trabalhar-se com a área geométrica da seção transversal para as estimativas iniciais.

Nota:

Em função das discussões com os profissionais de Manaus arbitrou-se que o conforto térmico não seria uma questão na tenda, embora os cálculos da temperatura média na tenda mostrassem que seria necessária uma vazão de pelo menos 50 m3/h, bastante elevada para essa aplicação, o que dificultaria muito a obtenção de um ventilador de pequeno porte, pequeno o suficiente. A explicação pode estar na existência de um microclima no entorno do paciente, de modo que se tenha uma temperatura no entorno do paciente diferente da temperatura média na tenda.

 

Eficiência e estanqueidade do filtro: 

Para se garantir que os vírus em suspensão no ar da tenda fiquem retidos no filtro de seu sistema de exaustão duas características são fundamentais, a sua eficiência e a sua estanqueidade.

Nesse projeto consideraram-se aplicáveis os papéis H13 e H14, no entanto trabalhou-se com o H14 em função da experiência e recomendação do fornecedor de filtros que colaborou com essa iniciativa.

No entanto nesse tipo de aplicação não é suficiente garantir a eficiência, pois mesmo utilizando um papel H14, a arquitetura e a construção do filtro, se não for projetados adequadamente podem permitir a ocorrência de vazamentos ou infiltrações de modo que nem todo o ar passe pelo filtro, comprometendo o seu desempenho.  A norma NBR ISO 14644-3 é a base do ensaio que avalia a estanqueidade do filtro. A concentração de desafio a montante do filtro deve variar de 10 a 100 microgramas por litro de ar e a concentração a jusante deve ser menor do que 0.01 % da concentração a montante.

Deste modo, esse requisito exige a participação de fabricantes de filtros que tenham experiência com essa norma, para que sejam utilizadas tecnologias de selagem e processos de fabricação e de teste que garantam o atendimento do requisito acima.

A utilização de soluções improvisadas de filtragem e selagem coloca o corpo médico em risco, isso porque ao se sentir seguro pode vir a relaxar com as outras barreiras de segurança.

Da mesma forma é fundamental que se utilizem tecnologias de selagem robustas, que não sejam danificadas no transporte e manuseio (vibração e impacto), em função de exposição ao calor e que mantenham a integridade após instaladas e em operação.

 

Estanqueidade da tenda: 

Combinando com o desempenho do conjunto ventilador-filtro, a construção da tenda deve garantir uma estanqueidade que dificulte as infiltrações de tal forma que a pressão em seu interior fique negativa em relação ao ambiente. A pressão negativa no interior da tenda garante que se existir algum fluxo, (que não seja através do filtro) entre os ambientes externo e interno, então esse fluxo se dará de fora para dentro, do ambiente mais limpo para o menos limpo, sempre infiltração, nunca vazamentos, isso mantem a equipe médica protegida.

A NBR ISO 14644-3 recomenda uma pressão inferior a – 5 Pa. Já a norma NBR 7256/2005 recomenda uma pressão diferencial de -2.5Pa para quartos com pacientes com infecção transmitida pelo ar. Para ser conservador, decidiu-se seguir a referencia mais restritiva e adotar o valor meta de -5Pa.

Configurações testadas e resultados:

Além de integrantes do Motirõ, as atividades associadas à evolução do sistema de exaustão da tenda contaram com a colaboração de algumas empresas e institutos, esses colaboradores são apresentados na seção de reconhecimentos no final do texto. Todo o trabalho foi voluntário e sem fins lucrativos e todos os resultados gerados relevantes e que não violem os segredos industriais de alguns colaboradores será aberto.

Após a identificação e a definição dos requisitos, alguns ainda um tanto abertos, buscaram-se ventiladores e filtros no mercado e construiu-se uma tenda seguindo as sugestões dadas pelos profissionais de Manaus. Obteve-se assim um protótipo que permitiu testar algumas configurações do sistema de exaustão integradas à tenda.

Tabalhou-se com 2 ventiladores ASA Fan (Adda South America Corp Ltda), um ASA75 (P/N 7530HB1) e um ASA120 (P/N 12032DV-HB), bastante leves e portanto candidatos a uma configuração que considera o ventilador e o filtro embarcados na tenda e também com um ventilador Sicflux um pouco maior e pesado, candidato a compor um dispositivo de sucção e filtragem não embarcado na tenda, contido numa caixa de ar e conectado a ela por uma mangueira.

 

 

Foram testados dois filtros fabricados pela SpeedAir Filtros e Equipamentos construídos conforme sua experiência e tecnologia de colagem e selagem e uma versão caseira de filtro fabricada por nós do Motirõ a partir de uma amostra de papel H14 deixada conosco. Esta versão caseira foi identificada como “HomeMade 197x123x80”, a numeração reflete o tamanho da amostra de papel H14.

 

 

 

Por fim, na busca por estanqueidade a tenda foi modificada e acabaram sendo testadas duas versões, uma tenda sem o fechamento do seu fundo e outra com o fechamento do fundo.

Os testes foram realizados no Laboratório de Vazão do IPT nos dias 04, 05 e 14 de Maio de 2020 e cobriram os seguintes aspectos:

  1. desempenho do par ventilador-filtro

  2. estanqueidade do filtro

  3. estanqueidade da tenda

Veja mais detalhes dos testes aqui.

Recomendações para a fabricação da tenda:

 

Ventilador:

1) Instalado na tenda: equivalente ao ASA120, 26 m3/h @ 89.4 Pa

2) Não instalado na tenda: equivalente ao Sicflux : 29 m3/h @ 168.5 Pa

 

 

 

Filtro:

1) Equivalente ao SpeedAir 200x200x50mm, HEPA H14

2) Equivalente ao SpeedAir 200x200x80mm, HEPA H14

 

 

Notas:

  1. Apesar da facilidade logística, o uso dos pequenos filtros utilizados nos ventiladores mecânicos reduz a sua disponibilidade em um cenário em que eles já estão escassos e relativamente caros.

  2. Além disso, como os pequenos filtros devem ser substituídos em um intervalo de tempo muito curto, da ordem de 48 horas, compensa um maior investimento inicial em um filtro equivalente ao SpeedAir uma vez que sua vida é muito mais longa, da ordem de meses.

 

Arquitetura da tenda:

  1. Com fechamento na parte inferior (estanqueidade)

  2. Fechamento inferior envolvendo o colchão (conforto)

  3. Fechamento com zíper, botão ou velcro (praticidade)

  4. Extensão da parte flexível envolvendo completamente as pernas ou amarração na região das pernas do paciente (estanqueidade)

 

As dimensões da estrutura tubular da tenda podem ser encontradas em: tenda de Manaus.

 

Reconhecimentos:

 

Um agradecimento especial às pessoas abaixo que doaram seu tempo e compartilharam seus conhecimentos para fazer o bem ao próximo e foram todas fundamentais para que pudéssemos conduzir esse estudo. Nosso sincero reconhecimento

 

Ao Miguel Ferreiros, do DNPC (Departamento Nacional de Empresas Projetistas e Consultores) da ABRAVA (Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento), nosso orientador e mentor, guiando-nos nas questões associadas à ventilação, filtragem e estanqueidade, sempre disponível e incansável na defesa dos processos e métodos corretos, e certamente o grande responsável por colocar muitos de nós em contato ao dividir conosco a sua rede de contato de pessoas competentes e do bem, foi por seu intermédio que conhecemos o Thiago, o Antônio Carlos, o Raí, o Marcelo, o William e o Erinaldo;

 

Ao Thiago Mantovani da Monthac Salas Limpas e SpeedAir Filtros e Equipamentos, Antônio Carlos da Monthac Salas Limpas e  Raí da SpeedAir Filtros e Equipamentos por dividirem conosco seus conhecimentos e competências, por nos orientarem nas questões associadas à fabricação de filtros, por nos apoiarem e fabricando protótipos de filtros com qualidade e tecnologia diferenciados, dando nos a confiança de estarmos propondo algo que realmente aumente a segurança das equipes médicas, por estarem sempre disponíveis e acessíveis ás nossas dúvidas e também sugestões;

 

Ao Marcelo Munhoz da Sicflux que não exitou em nos enviar uma amostra de seu produto e a nos atender a qualquer hora e dia para nos orientar quanto à sua utilização;

 

Ao William e Erinaldo da LWN Engenharia, pela doação de seu tempo, conhecimento e competência na execução dos testes de estanqueidade dos filtros;

 

A toda a equipe do IPT, Rui, Nelson, Luciana, Roberto, Eber, profissionais diferenciados, que dividiram conosco seu inestimável tempo, conhecimento e cederam suas instalações, pelas discussões técnicas e destacadas contribuições;

 

Ao Ricardo José Barbosa, Engenheiro Mecânico, por ter sido um grande apoio na condução dessas atividades, tendo participação destacada na definição da arquitetura, seleção dos componentes e construção dos protótipos de ensaio;

 

Ao Hugo da Marcenaria Urbanova, que nos atendeu sempre prontamente apoiando o processo de prototipagem rápida, não importando o dia e a hora, o que permitiu que testássemos e avaliássemos diversas idéias em um curto espaço de tempo.

Mais Informações sobre essa frente.

Para mais informações sobre essa frente material disponibilizado, e outras informações entre na sessão da FRENTE 03 em nosso fórum.

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