monografia cardiovascular autor: msc. juan...
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MONOGRAFIA
Título: Utilización de la Fotopletismografia en la evaluación del riesgo
cardiovascular
Autor: MSc. Juan Carlos García Naranjo
Centro: Centro de Biofísica Médica.
Universidad de Oriente.
Patricio Lumumba s/n.
CP: 90500.
Santiago de Cuba. Cuba.
E. mail: [email protected]
Palabras clave: Onda de pulso, fotopletismografía, Rigidez arterial.
Santiago de Cuba 2007
“Año 49 de la Revolución”
Índice
Introducción ...........................................................................................3
Utilización de la onda de pulso para evaluar la rigidez arterial. .............5
Método fotopletismográfico......................................................................................... 5
Modelos en el análisis de la onda de pulso. ............................................................. 7
La velocidad de la onda de pulso en la evaluación de la rigidez arterial............. 8
Análisis del contorno de la onda de pulso .............................................................. 10
Índice de rigidez arterial........................................................................................ 14
Nuevas propuestas ..................................................................................................... 18
Referencias ...........................................................................................19
Introducción
La evaluación de la rigidez arterial constituye, sin duda alguna, una de las principales
herramientas con que puede contar un especialista médico tanto para analizar las
posibles causas de la mayoría de los accidentes cardiovasculares como para evaluar el
riesgo de ocurrencia de las mismas.
La rigidez arterial es el resultado de la perdida de las propiedades elásticas de las
arterias. Puede ser resultado o agudizarse con enfermedades como la diabetes mellitus
y la insuficiencia renal. Como resultado de este proceso se produce un incremento de la
presión arterial que a su vez agudiza el proceso de enrigidecimiento conduciendo a la
hipertensión arterial y a un incremento del riesgo de padecer un accidente
cardiovascular [1, 2].
Según algunos reportes el treinta porciento de la población mundial padece de
hipertensión arterial, con un total de quince millones de personas fallecidas cada año
por enfermedades o eventos asociados a la hipertensión arterial. El padecimiento de la
enfermedad sin tratamiento por diez años incrementa en de un 20 a un 30% la
posibilidad de una cardiopatía isquémica y de un 6 a un 8% de un accidente
cerebrovascular. Es por ello que hacer evaluaciones objetivas y tempranas de la rigidez
arterial es una de las prioridades de la medicina del primer mundo y permite disminuir
costos en salud pública.
La detección de riesgo cardiovascular consiste en determinar cualitativamente la
probabilidad de que un individuo sufra eventos tales como una isquemia o un infarto
cardíaco o un accidente cerebrovascular. La determinación normalmente se efectúa
sobre la base de la toma de presión arterial mediante un esfigmomanómetro, y al
interrogatorio sobre antecedentes familiares (predisposición genética) y sobre hábitos de
vida (ingesta de sal y grasas saturadas, actividad física, estrés). Se complementa con un
análisis de sangre donde se determinan la glucemia (para detectar diabetes) y el
metabolismo de ácidos grasos (principalmente colesterol)
Diversos métodos han sido desarrollados en la búsqueda de nuevas informaciones que
permitan, de una forma cada vez menos invasiva y subjetiva, evaluar el nivel de rigidez
de las arterias. Dentro de estos métodos, ocupan un lugar especial los basados en la
medición de la velocidad de propagación de la onda de pulso y dentro de estos aquellos
que la realizan de una forma no invasiva.
La estimación de la rigidez arterial de forma no invasiva se basa en la mayoría de los
casos en la medición de la onda de pulso arterial en diferentes partes del cuerpo
humano y por diferentes métodos. En muchos de estos casos las mediciones requieren
del empleo de varios sensores y en otros de la aplicación de herramientas matemáticas
sobre los datos obtenidos en busca de nuevos parámetros que no pueden ser obtenidos
de manera directa. La elección del método dependerá siempre de varios factores entre
los que se encuentran el nivel confiabilidad de los parámetros medidos, nivel de
complejidad de la ejecución del mismo y el costo del equipamiento necesario para su
realización. De forma general estos factores se contraponen, de ahí que durante muchos
años y aún en nuestros días, los investigadores traten buscar nuevas propuestas que
maximicen la confiabilidad y minimicen la complejidad y los costos.
Una de las formas más sencillas de obtener la onda de pulso es la fotopletismografía. De
ahí que muchos esfuerzos se hayan dirigido a hacer de esta una opción a tener en
cuenta a la hora de elegir un método para caracterizar la rigidez arterial. La
fotopletismografía es un método completamente no invasivo que basa su principio en la
emisión y recepción de luz en la superficie de la piel. Es una técnica sencilla y barata
pero no permite la realización de mediciones cuantitativas de la onda de pulso,
restringiéndose su uso a evaluaciones cualitativas de su contorno o de sus variaciones
ante determinadas maniobras o estímulos.
El presente trabajo pretende realizar un análisis de los principales resultados obtenidos
hasta el momento en esta área, que muestran las potencialidades del método
fotopletismográfico como herramienta barata, fácil de utilizar y con resultados fiables.
Utilización de la onda de pulso para evaluar la rigidez arterial.
Existen muchos métodos que permiten obtener la onda de pulso, desde los más
invasivos que implican la introducción de catéteres en las arterias, hasta los más simples
como la fotopletismografía. De forma general se puede decir que existen tres métodos
para evaluar la rigidez arterial, uno basado en el estudio de la velocidad de la onda de
pulso, un segundo basado el análisis del contorno de la onda y el tercero en mediciones
directas de la geometría y la presión en la arteria 3. De acuerdo a los objetivos del
presente trabajo solo se hará referencia a los no invasivos con especial atención en
aquellos que emplean la fotopletismografía.
Método fotopletismográfico
La onda fotopletismográfica puede obtenerse en cualquier parte de la piel, sin embargo
hay algunas regiones como los dedos de las manos y los pies y los lóbulos del pabellón
auditivo que por las características de la epidermis en esas áreas y la geometría de las
mismas son más utilizadas como punto de recolección de la señal. El sensor
fotopletismográfico está formado por un diodo emisor de luz infrarroja y un fotodiodo.
La luz emitida penetra en las capas superiores de la dermis donde una parte de ella es
absorbida y otra es reflejada y captada por el fotodiodo. La intensidad de luz reflejada, y
por tanto la señal eléctrica producida por el fotodiodo, estará en correspondencia con el
volumen de sangre existente en el área de medición.
Figura 1 Sensor fotopletismográfico. Principio de trabajo [4]
La señal fotopletismográfica se caracteriza por un ascenso rápido y un descenso más
lento, esta primera parte de la señal se conoce como onda principal o incidente. El
descenso de la onda es interrumpido por un nuevo ascenso y nuevamente un descenso
lento, esta segunda parte se conoce como onda secundaria, reflejada o dícrota.
Figura 2 Onda de volumen de pulso arterial
Los primeros estudios fotopletismograficos se realizaron en 1936 en orejas de conejo.
EN 1937 Alrick Hertzman introduce la primera aplicación clínica de la nueva técnica.
En la actualidad la onda fotopletismográfica es utilizada en un gran número de
aplicaciones clínicas [5]. Entre estas se destacan la monitorización de signos vitales
como saturación de oxigeno en sangre, frecuencia cardiaca, respiración y presión
arterial, en este último caso apoyada por otras técnicas. Se han reportado aplicaciones
en el estudio de la función autonómica, sobre todo en lo relacionado con la variabilidad
del ritmo cardiaco. Sin embargo, ha sido en la evaluación vascular donde se han
reportado la mayor cantidad de aplicaciones, destacándose la evaluación venosa, la
evaluación de la disfunción endotelial, análisis de la microcirculación por
fotopletismografía de imágenes, realización de estudios de hipersensibilidad al frío y la
evaluación de la rigidez arterial [5].
Modelos en el análisis de la onda de pulso. Una parte imprescindible para comprender mejor los enfoques de los diferentes trabajos
realizados en esta área, es conocer los dos modelos fundamentales en los que se
sustentan todas las propuestas realizadas. Los dos modelos fundamentales son el
modelo de winkessel y el modelo reflectivo de la onda de pulso arterial.
El modelo de Windkessel [6, 7, 8, 9]describe al sistema vascular como un circuito
eléctrico formado por capacitares y resistencias. Los primeros describen la capacidad del
sistema de almacenar energía, de aquí que muchos trabajos se enfoquen a la
determinación de estas capacidades por la valiosa información que aporta sobre la
compliansa del sistema y por tanto de su rigidez.
Figura 3 Modelo de Windkessel [10] El modelo reflectivo [19] describe a la onda de pulso como la superposición de una onda
mecánica incidente, que es la que sale del corazón, y una reflejada que es la que
aparece debido al cambio de impedancia mecánica por el cambio de diámetro de los
vasos. Sobre todo se considera que la mayor parte de esta reflexión ocurre a nivel del
tronco y principalmente en la transición de las arterias a las arteriolas.
Figura 4 Modelo reflectivo de la onda de pulso
Es importante señalar que ambos modelos no se contraponen sino que se
complementan uno a otro en los esfuerzos por tratar de describir el sistema.
La velocidad de la onda de pulso en la evaluación de la rigidez arterial.
La medición de la velocidad de trancito de la onda de pulso arterial se ha erigido desde
hace algunos años como la regla de oro entre los métodos no invasivos para caracterizar
la rigidez arterial y evaluar el riesgo cardiovascular[11].
Una manera sencilla de medir la velocidad de propagación de la onda de pulso consiste
en realizar mediciones simultáneas de ECG y pulso. Teniendo en cuenta la velocidad de
propagación de los impulsos eléctricos del corazón pudiera tomarse dicha señal como un
marcador de la salida de la onda de pulso al árbol vascular. Ubicando entonces un
sensor distal, o sea, en cualquier lugar del cuerpo humano alejado del corazón puede
determinarse el tiempo que transcurre desde la salida hasta la llegada al punto donde
está ubicado el sensor. De esta forma y conociendo la distancia entre el corazón y el
punto distal donde está ubicado en sensor, puede calcularse la velocidad de propagación
de la onda.
Las principales limitaciones de este método están dadas en que existe un tiempo de
demora entre la ocurrencia de la onda R del ECG y el tiempo de apertura de la válvula
aórtica. Este tiempo, conocido como tiempo de contracción isométrica, varía también de
acuerdo a las variaciones de la presión arterial. Hay que tener en cuenta además que
para el empleo del mismo se necesitan dos canales de adquisición diferentes.
Una variante de este método presentada por T. Ma y Y.T. Zhang en el año 2005 utiliza
un sensor de fotopletismografía en el dedo pulgar de uno de los pies [12].
v
Figura 5 Periodo de transito de la onda de pulso a partir del ECG [12] Una propuesta que evita este error consiste en tomar el ECG como referencia y realizar
una medición de la forma antes descrita en un punto cercano al corazón, usualmente en
la arteria carótida, y otro en un punto distal (arteria femoral). Estas mediciones incluirán
el error antes descrito, sin embargo la diferencia entre ellas permitiría una evaluación
más precisa del tiempo de tránsito ya que no incluye dicho error. Este método es el
más usado en la actualidad utilizando tecnología Doppler [4] para la adquisición de las
señales.
Figura 6 Periodo de transito de la onda de pulso utilizando al ECG como referencia
Una variante más precisa pero a la vez más compleja involucra la utilización de dos
sensores Doppler para tomar las señales al unísono. Esta variante además de la
complejidad que implica la ubicación de los dos sensores, resulta también más cara.
Análisis del contorno de la onda de pulso La vía más sencilla para realizar una medición de la velocidad de tránsito de la onda de
pulso sería con un solo sensor, empleando una técnica bien barata y utilizando una
metodología de medición lo más sencilla posible. Si a estas características pudiera unirse
la posibilidad de obtener resultados confiables, entonces sería la técnica ideal. Las
primeras exigencias apuntan a una técnica como la fotopletismografía, sencilla, barata y
de fácil empleo. Es por ello que durante varios años los investigadores han tratado de
extraer nuevas informaciones a partir de esta onda de forma que pueda aportar
resultados confiables. El análisis del contorno de la misma ha sido, hasta el momento, la
vía más efectiva para enfrentar el problema.
Los primeros estudios reportados sobre el análisis del contorno de la onda estuvieron a
cargo de Dillon y Hertzman en el año 1941. Por primera vez se reportaba la existencia
de cambios en el contorno de la onda de pulso en pacientes hipertensos y con
arteriosclerosis. Años más tarde, exactamente en 1956, Lax, Feinberg y Cohen
reafirman y profundizan en estos trabajos con una descripción más completa de los
cambios experimentados por el contorno de la onda [13].
En el año 1967 Morinkawa describe cambios en el contorno con la presencia de nitratos
orgánicos. Este trabajo servirá como base para otros posteriores y la definición del
índice de dicrotismo como un indicador del efecto vasomotor de algunos medicamentos.
[13]
En 1973 Dawber, Thomas y McNamara dan otro paso relevante en el estudio del
contorno de la onda de pulso. En su trabajo relacionado con pacientes aquejados de
enfermedades coronarias, hacen una descripción de las variaciones del contorno con la
edad y proponen su clasificación en cuatro clases fundamentales de acuerdo a sus
características morfológicas [13].
El rasgo principal al hacer la separación clases está relacionado con las características
de la onda dícrota.
Clase 1: Se produce un cambio de signo de la pendiente de la onda, o sea de
un descenso cambia y comienza a ascender nuevamente. Esta es la
curva características de las personas jóvenes sin ningún problema
vascular.
Clase 2: La pendiente de la onda se hace cero, apareciendo una meseta en la
misma.
Clase 3: En esta clase todavía se puede apreciar una disminución en la pendiente
pero esta no llega ser cero en ningún momento.
Clase 4: Hay ausencia de onda dícrota. Es la curva características de las personas
de edad avanzada.
Figura 7 Clasificación morfológica de la onda de volumen de pulso
En 1998 Takasawa y su equipo hacen un análisis muy completo del contorno de la onda
de pulso utilizando la segunda derivada de la misma para separarla en pequeños
segmentos [ 14,13].
Figura 8 Segmentación de la onda de pulso a partir de su segunda derivada
Utilizando las relaciones de amplitud entre los segmentos se pueden establecer
diferentes parámetros que se correlacionan muy bien con la edad, presión arterial,
rigidez arterial en los grandes vasos o los efectos vasoactivos de algunos medicamentos
[ 15].
En 1999 Chowienczyk et all [16], presentan los resultados de su trabajo con pacientes
aquejados de diabetes mellitus tipo II. En este trabajo se presenta un índice mediante el
cual se expresa la amplitud de la onda dícrota como porciento de la amplitud de la onda
principal. Este índice puede ser muy útil a la hora de evaluar la respuesta del endotelio
vascular ante la presencia de determinados fármacos. Por lo tanto constituye una
herramienta valiosa para evaluar la disfunción endotelial la cual se encuentra muy
asociada a los procesos hipertensivos.
Una propuesta interesante y poco explotada aún, fue la presentada por el mismo equipo
de trabajo en año 2000 con el reporte de Millasseau et all [ 17]. La propuesta sugiere la
existencia de relaciones directas entre la onda de volumen de pulso y la onda de presión
periférica. En dicho trabajo los autores, realizando mediciones simultaneas de ondas de
volumen de pulso y ondas de presión periférica obtenidas por tonometría [4],
determinan mediante procedimientos matemáticos una función de transferencia que
describe la transformación de la onda de presión en onda de volumen. Esta función de
transferencia es usada luego para estimar la onda de presión a partir de la onda de
volumen. La Figura 9 extraída del mencionado artículo muestra los resultados
alcanzados.
Figura 9 Onda de presión periferica medida y estimada (discontinua) [17]
Las curvas con trazos continuos son las ondas de presión periférica medidas
directamente en la arteria braquial con otras técnicas ya establecidas y las discontinuas
son las estimadas con la función de transferencia calculada.
Otro salto importante en el análisis del contorno de la onda de pulso fue presentado
también por Millasseau et all en el año 2002 sobre un nuevo índice para caracterizar la
rigidez arterial obtenido a partir de la onda de volumen de pulso. Este nuevo índice se
denominó Índice de rigidez (SI) [ 19].
Índice de rigidez arterial. La medición del índice de rigidez toma como base el modelo reflectivo de la onda de
onda de pulso. Parte de la suposición de que la velocidad de la onda relejada dependerá
del nivel de rigidez arterial y sobre todo de la arteria aorta por ser el más grande de los
vasos. Si se toma como referencia la llegada de la onda principal al punto de recogida,
usualmente es el dedo índice de la mano derecha por presentar menor variabilidad en
las mediciones [18], entonces el tiempo que demora en arribar la onda reflejada será un
indicador del nivel de la rigidez. Por tanto midiendo el tiempo transcurrido entre los
picos de la onda puede medirse el tiempo de transito de la componente reflejada. Claro,
el tiempo por si solo no es un buen indicador pues el largo de los grandes vasos está
estrechamente correlacionado con la altura de las personas. Por lo tanto este último
dato también se toma en cuanta para la conformación del índice. Finalmente el índice
de rigidez queda expresado como la relación entre la altura del sujeto bajo estudio y el
tiempo de arribo de la componente reflejada de la onda de pulso [19].
TpphSI = (m/s) (1)
En el trabajo de Millaseau et all [19] se presenta una evaluación del comportamiento del
índice de rigidez con la edad y los niveles de presión en una población de 87 sujetos
asintomáticos y su correlación con mediciones realizadas por medio de la tonometría,
otra de las técnicas ya establecidas en este campo. La Figura 10, tomada del artículo
mencionado, muestra el buen nivel de correlación existente entre ambas técnicas.
Figura 10 Correlación entre el índice de rigidez (SI) y la velocidad de la onda
de pulso (PWV)[19]
La Figura 11 tomada también de este trabajo muestra la relación existente en ambos
casos con la edad y los niveles de presión media, parámetros estrechamente
relacionados con los procesos de enrigidecimiento arterial.
Figura 11 Relación del índice de rigidez y la velocidad de la onda de pulso con la edad
y los niveles de presión media [19]
Como puede observarse existe una relación muy estrecha entre estos elementos lo cual
puede ser utilizado para buscar mediante análisis estadísticos, expresiones matemáticas
que relacionen el índice de rigidez arterial con la edad del paciente. De esta forma
realizando mediciones del índice se puede hacer una estimación de la edad vascular del
paciente y aportar un elemento de análisis bien sencillo para el personal médico.
La Figura 12 presenta los resultados de una medición real en una persona asintomática.
Como puede verse la edad vascular estimada (VA) es inferior a edad real del sujeto, lo
cual hace suponer un buen estado del sistema vascular y por tanto un riesgo bajo de
padecer un accidente cardiovascular.
Figura 12 Resultado de estimación de la edad vascular en un paciente asintomático.
La Figura 13 por su parte presenta el resultado de una medición real de un sujeto
hipertenso sin tratamiento. Como puede verse la edad vascular estimada, muy superior
a la edad real del sujeto, sugiere un nivel de rigidez arterial alto y por tanto un riesgo
potencial de padecer un accidente cardiovascular.
Figura 13 Resultado de estimación de la edad vascular en un paciente hipertenso
sin tratamiento
Los resultados alcanzados por el colectivo de investigación de Chowienczyk y Millaseau
muestran las grandes potencialidades tanto del índice de rigidez arterial como del índice
de reflexión en la búsqueda de una técnica sencilla, barata y segura. Estos resultados
pueden ser aplicables a los primeros niveles de salud pública para la prevención del
riesgo de accidente cardiovascular.
Hoy en día ya se pueden encontrar en el mercado equipos que realizan, ya sea de forma
autónoma o apoyados por una computadora, la medición del índice de rigidez arterial y
el índice de reflexión. La Figura 14 muestra uno de estos equipos comercializados por la
firma Micro Medical.
Figura 14 Equipo comercial para la medición del índice de rigidez y el índice de
reflexión.
Los principales problemas de los índices de rigidez y reflexión, como de todos los
asociados al análisis de contorno, están asociados a la perdida de confiabilidad en los
casos donde se obtienen curvas atípicas o en el caso de personas de edad avanzada
donde se hace difícil la detección de la onda dícrota. Otro reto en este sentido esta dado
en el hecho de continuar buscando puntos de enlace entre los parámetros medidos
sobre la onda de volumen de pulso y los medidos directamente sobre la onda de
presión. Sobre estos aspectos habrá que continuar trabajando [13].
Nuevas propuestas Resientes trabajos, como el realizado por Payne y su equipo, a pesar de que concluyen
que el periodo de transito de la onda de pulso no es un marcador confiable de la presión
arterial; abren nuevos caminos e interrogantes en el intento de hacer de la onda de
volumen de pulso una herramienta útil en la prevención del riesgo cardiovascular.
En dicho trabajo los autores muestras sus estudios de correlación entre presión arterial y
el tiempo de transito medido a partir del ECG (rTTP) o empleando pletismografía de
impedancia [4] (pTTP) que elimina el error que introduce el periodo de contracción
isométrica. La Figura 15 tomada del artículo publicado por Payne y su equipo
muestran estas correlaciones.
Como puede verse existe una buena correlación entre la presión sistólica y el tiempo de
transito de la onda de pulso tomado a partir del ECG. Lo mismo ocurre para el caso de
la presión media y la diastólica. A pesar de que los autores consideran que no es un
marcador confiable para monitorear la presión arterial, entre otras cosas porque las
pendientes de la correlación puede cambiar bajo el efecto de fármacos vasoactivos, si
abre muchas interrogantes sobre su uso para monitorear variaciones de la presión y
continuar extrayendo información del sistema vascular.
Figura 15 Correlación del tiempo de transito de la onda de pulso medido a partir del
ECG (rPTT) y por impedancia (pPTT) con la presión sistólica, media y diastólica.
Deforma general todo los métodos analizados presentan fortalezas y debilidades. Un
análisis detallado de ello puede encontrarse en [3,20,21, 22]. Sin embargo, los métodos
basados en la fotopletismografía y sobre todo los relacionados con el análisis del
contorno de la onda constituyen un área muy fértil para el desarrollo de nuevas ideas.
Concentrar esfuerzos en esta área, permitiría alcanzar los niveles de confiabilidad y
robustez que requiere un método que por su sencillez y bajo costo pudiera ser extendido
muy fácilmente hasta los primeros niveles de atención de la salud pública. Con ello se
podría garantizar una detección precoz de la rigidez arterial lo cual redundaría en una
mejor calidad de vida para la población.
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