Fotopletismograma

Un fotopletismograma (PPG) es un pletismograma obtenido ópticamente que se puede utilizar para detectar cambios en el volumen sanguíneo en el lecho microvascular del tejido. Un PPG suele obtenerse utilizando un oxímetro de pulso que ilumina la piel y mide los cambios en la absorción de la luz. Un oxímetro de pulso convencional controla la perfusión de sangre a la dermis y al tejido subcutáneo de la piel.

Con cada ciclo cardíaco, el corazón bombea sangre hacia la periferia. Aunque este pulso de presión se amortigua un poco cuando llega a la piel, es suficiente para distender las arterias y arteriolas del tejido subcutáneo. Si el oxímetro de pulso se coloca sin comprimir la piel, también se puede observar un pulso de presión en el plexo venoso, como un pequeño pico secundario.

El cambio de volumen causado por el pulso de presión se detecta iluminando la piel con la luz de un diodo emisor de luz (LED) y luego midiendo la cantidad de luz transmitida o reflejada en un fotodiodo. Cada ciclo cardíaco aparece como un pico, como se ve en la figura. Debido a que el flujo sanguíneo a la piel puede ser modulado por muchos otros sistemas fisiológicos, el PPG también se puede utilizar para controlar la respiración, la hipovolemia y otras condiciones circulatorias. Además, la forma de la onda PPG difiere de un sujeto a otro y varía según la ubicación y la forma en que se conecta el oxímetro de pulso.

Aunque los sensores PPG son de uso común en una serie de aplicaciones comerciales y clínicas, los mecanismos exactos que determinan la forma de la onda PPG aún no se comprenden completamente.

Sitios para medir PPG

Si bien los oxímetros de pulso son dispositivos médicos de uso común, la señal PPG que registran rara vez se muestra y nominalmente solo se procesa para determinar la oxigenación de la sangre y la frecuencia cardíaca. El PPG se puede obtener por absorción transmisiva (como en la punta del dedo) o por reflexión (como en la frente).

En entornos ambulatorios, los oxímetros de pulso se usan comúnmente en el dedo. Sin embargo, en casos de shock, hipotermia, etc., el flujo sanguíneo hacia la periferia puede reducirse, dando como resultado un PPG sin pulso cardíaco discernible. En este caso, se puede obtener un PPG con un oxímetro de pulso en la cabeza, siendo los sitios más comunes el oído, el tabique nasal y la frente. PPG también se puede configurar para fotopletismografía multisitio (MPPG), p. realizando mediciones simultáneas de los lóbulos de la oreja derecha e izquierda, los dedos índice y pulgar del pie, y ofreciendo más oportunidades para la evaluación de pacientes con sospecha de enfermedad arterial periférica, disfunción autonómica, disfunción endotelial y rigidez arterial. MPPG también ofrece un potencial significativo para la minería de datos, p. utilizando el aprendizaje profundo, así como una variedad de otras técnicas innovadoras de análisis de ondas de pulso.

Los artefactos de movimiento suelen ser un factor limitante que impide obtener lecturas precisas durante el ejercicio y en condiciones de vida libre.

Usos

Monitorización de la frecuencia cardíaca y el ciclo cardíaco

Debido a que la piel está tan ricamente perfundida, es relativamente fácil detectar el componente pulsátil del ciclo cardíaco. El componente DC de la señal es atribuible a la absorción masiva del tejido de la piel, mientras que el componente AC es directamente atribuible a la variación en el volumen sanguíneo en la piel causada por el pulso de presión del ciclo cardíaco.

La altura del componente AC del fotopletismograma es proporcional a la presión del pulso, la diferencia entre la presión sistólica y diastólica en las arterias. Como se ve en la figura que muestra las contracciones ventriculares prematuras (PVC), el pulso PPG para el ciclo cardíaco con PVC da como resultado una presión arterial de amplitud más baja y un PPG. También se pueden detectar taquicardia ventricular y fibrilación ventricular.

Monitorización de la respiración

La respiración afecta el ciclo cardíaco variando la presión intrapleural, la presión entre la pared torácica y los pulmones. Dado que el corazón reside en la cavidad torácica entre los pulmones, la presión parcial de la inhalación y la exhalación influye en gran medida en la presión sobre la vena cava y el llenado de la aurícula derecha.

Durante la inspiración, la presión intrapleural disminuye hasta 4 mm Hg, lo que distiende la aurícula derecha, lo que permite un llenado más rápido desde la vena cava, lo que aumenta la precarga ventricular, pero disminuye el volumen sistólico. Por el contrario, durante la espiración, el corazón se comprime, lo que disminuye la eficiencia cardíaca y aumenta el volumen sistólico. Cuando aumentan la frecuencia y la profundidad de la respiración, aumenta el retorno venoso, lo que provoca un aumento del gasto cardíaco.

Muchas investigaciones se han centrado en estimar la frecuencia respiratoria a partir del fotopletismograma, así como en mediciones respiratorias más detalladas, como el tiempo inspiratorio.

Monitoreo de la profundidad de la anestesia

Los anestesiólogos a menudo deben juzgar subjetivamente si un paciente está suficientemente anestesiado para la cirugía. Como se ve en la figura, si un paciente no está suficientemente anestesiado, la respuesta del sistema nervioso simpático a una incisión puede generar una respuesta inmediata en la amplitud del PPG.

Monitoreo de hipo e hipervolemia

Shamir, Eidelman, et al. Estudió la interacción entre la inspiración y la extracción del 10% del volumen de sangre de un paciente para el banco de sangre antes de la cirugía. Descubrieron que la pérdida de sangre se podía detectar tanto mediante el fotopletismograma de un oxímetro de pulso como de un catéter arterial. Los pacientes mostraron una disminución en la amplitud del pulso cardíaco causada por la reducción de la precarga cardíaca durante la exhalación cuando el corazón se comprime.

Control de la presión arterial

Según se informa, la FDA otorgó autorización a un monitor de presión arterial sin manguito basado en fotopletismografía en agosto de 2019.

Fotopletismografía remota

Imagen convencional

Si bien la fotopletismografía comúnmente requiere alguna forma de contacto con la piel humana (por ejemplo, oreja, dedo), la fotopletismografía remota permite determinar procesos fisiológicos como el flujo sanguíneo sin contacto con la piel. Esto se logra mediante el uso de vídeo facial para analizar cambios momentáneos sutiles en el color de la piel del sujeto que no son detectables por el ojo humano. Esta medición de los niveles de oxígeno en sangre basada en una cámara proporciona una alternativa sin contacto a la fotopletismografía convencional. Por ejemplo, puede usarse para monitorear la frecuencia cardíaca de bebés recién nacidos o analizarse con redes neuronales profundas para cuantificar los niveles de estrés.

Holografía digital

La fotopletismografía remota también se puede realizar mediante holografía digital, que es sensible a la fase de las ondas de luz y, por lo tanto, puede revelar movimientos submicrónicos fuera del plano. En particular, se pueden medir imágenes de campo amplio del movimiento pulsátil inducido por el flujo sanguíneo en el pulgar mediante holografía digital. Los resultados son comparables a los del pulso sanguíneo monitorizado mediante pletismografía durante un experimento de oclusión-reperfusión. Una ventaja importante de este sistema es que no se requiere contacto físico con la superficie del tejido estudiado. Las dos limitaciones principales de este enfoque son (i) la configuración interferométrica fuera del eje que reduce el ancho de banda espacial disponible de la matriz de sensores, y (ii) el uso del análisis de transformada de Fourier de corto tiempo (a través de transformada discreta de Fourier) que filtra- desconectar las señales fisiológicas.

El análisis de componentes principales de hologramas digitales reconstruidos a partir de interferogramas digitalizados adquiridos a velocidades superiores a ~1000 fotogramas por segundo revela ondas superficiales en la mano. Este método es una forma eficaz de realizar holografía digital a partir de interferogramas en el eje, lo que alivia tanto la reducción del ancho de banda espacial de la configuración fuera del eje como el filtrado de señales fisiológicas. Un mayor ancho de banda espacial es crucial para un campo de visión de imagen más amplio.

Un refinamiento de la fotopletismografía holográfica, la imagen holográfica con láser Doppler, permite la monitorización no invasiva de la onda del pulso del flujo sanguíneo en los vasos sanguíneos de la retina, la coroides, la conjuntiva y el iris. En particular, la holografía láser Doppler del fondo de ojo y la coroides constituye la contribución predominante a la señal láser Doppler de alta frecuencia. Sin embargo, es posible evitar su influencia restando la señal de referencia promediada espacialmente y lograr una alta resolución temporal y una capacidad de obtención de imágenes de campo completo del flujo sanguíneo pulsátil.