UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
"Correlación de la variación de presión arterial con las señales de
electrocardiografía y fotopletismografía "
TESIS
Que para evaluar la experiencia educativa Experiencia Recepcional
(MEIF), del Programa Educativo de Ingeniería en
Instrumentación Electrónica
Presenta:
Oscar Mestizo Santiago
Director:
Dr. Pablo Samuel Luna Lozano
Director:
M.I.B. Luis Julián Varela Lara
Xalapa-Enríquez, Veracruz
Mayo del 2015
Contenido
Resumen ................................................................................................................................. 1
Capítulo 1. Electrocardiograma y ciclo cardiaco.................................................................... 3
1.1 Fisiología del corazón................................................................................................... 3
1.2 Electrocardiograma ....................................................................................................... 5
Capítulo 2. Onda de presión arterial y Fotopletismografía. ................................................. 12
2.1 Antecedentes............................................................................................................... 12
2.2 Pulso Arterial .............................................................................................................. 13
2.3 Fotopletismografía ...................................................................................................... 17
Capítulo 3. Presión sanguínea y su medición ....................................................................... 19
3.1 Presión sanguínea y antecedentes ............................................................................... 19
3.2 Método indirecto de medición: Auscultación ............................................................. 22
3.2.1 Presión sistólica, diastólica y media. ................................................................... 25
3.3 Método oscilométrico ................................................................................................. 26
3.4 Cateterismo arterial..................................................................................................... 26
3.5 Definición del PAT ..................................................................................................... 27
Capítulo 4. Estimación del PAT ........................................................................................... 29
4.1 Determinación del PAT .............................................................................................. 29
4.1.1 Procesamiento de ECG ........................................................................................ 30
4.1.2 Detección de la onda R ........................................................................................ 33
4.1.3 Detección del pico de la onda de flujo sanguíneo ............................................... 33
4.1.4 Medición del PAT ............................................................................................... 33
Capítulo 5. Resultados .......................................................................................................... 35
5.1 Reposo ........................................................................................................................ 35
5.2 Ejercicio respiratorio .................................................................................................. 36
5.3 Análisis de la variación de presión sanguínea y el PAT............................................. 36
5.4 Maniobra de Valsalva ................................................................................................. 37
Conclusiones......................................................................................................................... 40
Referencias ........................................................................................................................... 41
Resumen
En México se considera la presión arterial alta como un problema de salud pública,
ya que favorece la aparición de otras enfermedades cardiovasculares, además de que acorta
la vida de quienes la padecen, se traduce en una pérdida de años potenciales de vida.
Para la prevención y el tratamiento de enfermedades como la hipertensión, es necesario
medir la presión arterial de forma periódica.
Algunos de los instrumentos médicos que permiten la medición de la presión arterial como
el esfigmomanómetro requieren de un tiempo de muestreo para proporcionar un valor.
El tiempo de arribo de pulso o PAT(del inglés Pulse Arrival Time) es una herramienta no
invasiva que permite el monitoreo continuo, dejando de lado el tiempo de muestreo
mencionado anteriormente.
El propósito del presente trabajo es determinar a partir del análisis de señales de
electrocardiografía y fotopletismografía el PAT y evaluarlo como una alternativa a los
métodos existentes para la medición de la presión arterial. También se pretende observar
como varía la relación entre los valores del PAT y la presión arterial en el tiempo.
Existen experimentos o maniobras que al realizarse correctamente generan cambios en la
respiración y la presión arterial, los cuales serán estudiados.
1
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Capítulo1.
Electrocardiograma y ciclo cardiaco
1.1 Fisiología del corazón
El electrocardiograma(ECG) es una herramienta de diagnóstico médico que registra
la actividad eléctrica del corazón, representa de manera gráfica el potencial eléctrico
generado en cada una de las fases que comprende el ciclo cardiaco.
Para entender de manera satisfactoria la información contenida en un electrocardiograma,
resulta conveniente describir de forma general la anatomía y las funciones del corazón,
además de resaltar los rasgos más importantes de este órgano, para que así al final de este
capítulo se tenga la capacidad de ubicar sitios importantes de un ECG.
Empecemos entendiendo que el corazón puede considerarse que está formado por dos
bombas separadas como si se tratase de dos corazones, el corazón derecho bombea sangre a
los pulmones(circulación sistémica) y el corazón izquierdo bombea sangre a los órganos
periféricos(circulación periférica), cada uno de estos corazones es una bomba pulsátil de
dos cavidades: la aurícula y el ventrículo como puede verse en la figura 1.1, donde las
aurículas izquierda y derecha se representan como AI y AD respectivamente y los
ventrículos izquierdos y derecho como VI y VD. La aurícula principalmente es una bomba
que ayuda a mover la sangre proveniente ya sea de la vena cava(que trae la sangre de la
circulación periférica) o de la vena pulmonar(que transporta la sangre oxigenada desde los
pulmones), hacia el interior del ventrículo correspondiente mediante la apertura de las
válvulas tricúspide(que conecta a AD y VD) y mitral(entre AI y VI). Por otro lado el
ventrículo aporta la fuerza necesaria para llevar la sangre hacia los pulmones (mediante la
apertura de la válvula pulmonar a través de la arteria pulmonar) si se trata del ventrículo
derecho, o hacia la circulación periférica (después de la apertura de la válvula aórtica a
través de la arteria aorta) si se trata del ventrículo izquierdo.
Las válvulas cardiacas permiten el flujo de sangre en una sola dirección. Las válvulas
tricúspide y mitral colectivamente son llamadas auriculoventriculares, puesto que controlan
el flujo de sangre de la aurícula hacia los ventrículos. Las válvulas aórtica y pulmonar se
denominan válvulas semilunares, debido a que tienen una estructura similar a una media
luna, y previenen el retorno del flujo sanguíneo(reflujo), desde la aorta o la arteria
pulmonar hacia los ventrículos.
El corazón está compuesto por tres tipos principales de músculo cardiaco o miocardio[1],
estos son el músculo auricular, el músculo ventricular y las fibras musculares excitadoras y
conductoras especializadas. Las partes del corazón laten de manera secuencial ordenada
3
dividida en dos fases : la sístole y la diástole. También la sístole se divide en sístole
auricular que es las contracción de la aurículas y la sístole ventricular que se refiere a la
contracción de los ventrículos. Durante la diástole las cuatro cavidades se relajan.
Figura 1.1 Partes principales del corazón humano.
El latido cardiaco tiene su origen en un sistema de conducción cardiaca especializado
mostrado en la figura 1.2. Las partes que constituyen a dicho sistema son[2], el nodo
sinoauricular(nodo SA); las vías auriculares internodales; el nodo auriculoventricular(nodo
AV), el haz de His y sus ramas y el sistema de Purkinje. El nodo sinoauricular emite una
descarga espontanea que se transporta como un potencial de acción a través de las vías
auriculares hasta el nodo AV y de ahí hasta los ventrículos a través del haz de His y el
sistema de Purkinje.
Figura 1.2.- Sistema de conducción del corazón. Izquierda: representación anatómica del corazón humano con
enfoque adicional en áreas de conducción. Derecha: se muestran potenciales de acción transmembrana típicos para
los nodos sinoauricular y auriculoventricular junto con la relación que tienen con el ECG. LAF Fascículo anterior
izquierdo [2].
4
1.2 Electrocardiograma
En la sección anterior se revisó la anatomía del corazón, además se describieron las partes
que constituyen al sistema de conducción cardiaca y la fisiología del latido cardiaco. En
cuanto a las propiedades del músculo cardiaco, se señalaron las fases del potencial de
acción, en resumen se habló de la despolarización y repolarización de las células cardiacas.
Las corrientes eléctricas que dan origen a la contracción cardiaca se extienden por todo el
cuerpo debido a que los tejidos que rodean al corazón, tienen la capacidad de conducir las
corrientes generadas en él. El registro de estas corrientes a través de un arreglo de
electrodos colocados en lugares específicos de la superficie del cuerpo, da como resultado
el ECG.
Los nombres de las diferentes ondas y segmentos del ECG normal en seres humanos se
muestran en la figura 1.3. El origen de las ondas del electrocardiograma se explicarán en el
apartado de ciclo cardiaco puesto que existe relación directa entre ambos.
La colocación de los electrodos sobre la superficie del cuerpo y su conexión con el sistema
de registro da lugar a las llamadas derivaciones del ECG. Existen tres derivaciones:
derivaciones bipolares, derivaciones precordiales y derivaciones aumentadas.
Figura 1.3 Ondas y segmentos del electrocardiograma [3].
5
Las derivaciones bipolares se registran mediante dos electrodos aplicados al cuerpo, en este
caso las extremidades.
Se puede formar un triangulo con el corazón como se mira en la figura 1.4 (Triángulo de
Einthoven), se deben colocar electrodos en ambas extremidades superiores y en el miembro
inferior izquierdo, estas son las derivaciones bipolares estándar de las extremidades que se
usan en electrocardiografía.
Figura 1.4.- Posición de las derivaciones estándar del ECG [3].
Para el registro del electrocardiograma normal, con frecuencia se usan seis derivaciones
torácicas(precordiales) colocando electrodos en la superficie anterior al tórax, encima del
corazón, en la figura 1.5 se designan como V1-V6.
También tres derivaciones unipolares de las extremidades: VR (brazo derecho); VL (brazo
izquierdo) y VF (pie izquierdo) permiten el registro del electrocardiograma. Las
derivaciones de extremidades aumentadas son similares a las que se mencionaron
anteriormente, la diferencia radica en que como su nombre indica, el potencial que registran
es mayor, la denotación de estas agrega una a minúscula: aVR, aVL, aVF como en la figura
1.5.
Figura 1.5 Derivaciones electrocardiográficas unipolares [2].
6
Cuando el electrodo está en el brazo derecho, la derivación se llama aVR, cuando está en el
brazo izquierdo se denomina aVL y cuando se sitúa en la pierna izquierda se conoce como
derivación aVF.
1.3 Ciclo cardiaco
Para entender cómo se regula la función cardiaca, se debe conocer la secuencia de
mecanismos durante el ciclo cardiaco y cómo estos mecanismos se relacionan con la
actividad eléctrica del corazón. El diagrama del ciclo cardiaco mostrado en la figura 1.6 [3]
(algunas veces llamado ciclo de Wiggers, debido a su autor el Dr. Carl John Wiggers)
representa los cambios en el lado izquierdo del corazón(presión ventricular y volumen
izquierdos, presión auricular izquierda, y presión aórtica) en función de tiempo. Aunque no
se muestra en este diagrama, los cambios de presión y volumen en el lado derecho del
corazón(aurícula y ventrículo derechos y arteria pulmonar) son cualitativamente similares a
los que ocurren en el lado izquierdo. Además, el tiempo de los mecanismos en el lado
derecho del corazón es muy similar al del lado izquierdo.
Figura 1.6 Ciclo cardiaco [3]. Señala las ondas del electrocardiograma y los sonidos cardiacos. Comprende siete
eventos que son (1)Sístole auricular, (2)Contracción isovolumétrica, (3)Eyección rápida, (4)Eyección reducida,
(5)Relajación isovolumétrica, (6)Llenado rápido y (7)Llenado reducido. Dos fases la sístole(Sis) y la diástole(Dias).
Se indican los valores de las ondas de presión aórtica(PA), presión ventricular izquierda(PVI) y la presión
auricular izquierda(PAI) además el volumen del ventrículo izquierdo(VI) en cada fase.
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El ciclo cardiaco se define como los eventos cardiacos que ocurren desde el inicio de un
latido hasta e inicio del siguiente. En el ECG se puede identificar por la aparición de la
onda P. El ciclo cardiaco está dividido en dos fases: sístole y diástole. Sístole se refiere a
los eventos asociados con la contracción ventricular y eyección. Diástole se refiere al resto
del ciclo cardiaco, incluyendo la relajación ventricular y llenado. El ciclo cardiaco puede
dividirse en 7 eventos, comenzando cuando la onda P aparece. Estas fases son la sístole
auricular, contracción ventricular isovolumétrica, eyección rápida, eyección lenta,
relajación ventricular isovolumétrica, llenado rápido, y llenado reducido.
Fase 1. Sístole auricular: Apertura de las válvulas AV; cierre de las válvulas aórtica y
pulmonar.
La onda P del ECG representa la despolarización eléctrica de la aurícula, con la que inicia
la contracción de la musculatura auricular. Como las aurículas se contraen, la presión
dentro de las cámaras auriculares aumenta, esto conduce la sangre desde la aurícula, a
través de la apertura de las válvulas auriculoventriculares, hacia el interior de los
ventrículos. El flujo retrogrado dentro la vena cava y las venas pulmonares de regreso hacia
la aurícula, es impedido por el efecto de inercia de retorno venoso y por la onda de
contracción a lo largo de las aurículas, que tiene un "efecto de ordeñamiento". La
contracción auricular produce un pequeño incremento transitorio en la presión auricular
derecha e izquierda que es llamado la "onda a". La contracción auricular normalmente
representa sólo alrededor del 10% del llenado del ventrículo izquierdo, cuando una persona
está en reposo y la frecuencia del corazón es baja, ya que la mayor parte del llenado
ventricular ocurre antes de la contracción auricular. El final de esta fase representa el final
de la diástole, los ventrículos se llenan a su volumen diastólico final (EDV). El EDV
izquierdo(típicamente alrededor de 120 mL) se asocia con presiones diastólicas finales de
alrededor de 8 mm Hg. La presión diastólica final del ventrículo derecho típicamente es de
4 mm Hg.
Fase 2. Contracción isovolumétrica: todas las válvulas cerradas.
En esta fase del ciclo cardiaco, se da el comienzo de la sístole, inicia con la onda QRS del
ECG, que representa la despolarización ventricular. Como los ventrículos se despolarizan,
la contracción del miocito conduce a un rápido incremento en la presión interventricular. El
aumento abrupto en la presión provoca el cierre de las válvulas AV.
Durante el tiempo entre el cierre de las válvulas AV y la apertura de la válvula aórtica y la
válvula pulmonar, la presión ventricular aumenta rápidamente sin cambio en los volúmenes
ventriculares. La contracción ventricular, por lo tanto, se dice que es ""isométrica" o
"isovolumétrica" durante esta fase.
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Las presiones auriculares aumentan transitoriamente durante esta fase debido al constante
retorno venoso y posiblemente al abultamiento de las válvulas AV hacia las cámaras
auriculares, de lo que resulta la "onda c" notada en la aurícula y venas cercanas.
Fase 3. Eyección rápida: Apertura de las válvulas aórtica y pulmonar; las válvulas AV
permanecen cerradas.
Cuando la presión intraventricular, supera la presión dentro de la aorta y la arteria
pulmonar, las válvulas aórtica y pulmonar se abren y la sangre sale de los ventrículos. La
eyección se debe a que la energía total de la sangre dentro de los ventrículos excede a la
energía total de la sangre dentro de la aorta.
En otras palabras, la eyección ocurre porque se presenta un gradiente de energía(debido
principalmente a la energía de presión) que impulsa la sangre al interior de la aorta y de la
arteria pulmonar. Durante esta fase, la presión ventricular normalmente excede la presión
del tracto de salida por sólo unos pocos milímetros de mercurio(mm Hg).
La máxima velocidad de salida se alcanza pronto en la fase de eyección, y se registran las
máximas presiones en la aorta(presión sistólica) y la arteria pulmonar, que por lo regular
tienen un valor cercano a 120 mmHg en la aorta y 25 mm Hg en la arteria pulmonar.
Mientras la sangre está siendo expulsada y los volúmenes ventriculares disminuyen, la
aurícula continua llenándose con sangre a partir de sus respectivos tractos de entrada
venosos. Aunque los volúmenes auriculares se están incrementando, las presiones
auriculares inicialmente disminuyen(descenso x') a medida que la base de la aurícula se tira
hacia abajo, se expanden las cámaras auriculares.
Normalmente durante la eyección no se escuchan sonidos cardiacos. La apertura de
válvulas sanas es silenciosa. La presencia de un sonido durante la eyección indica una
enfermedad de la válvula o desvíos intracardiacos.
Fase 4. Eyección lenta: Apertura de las válvulas aortica y pulmonar; las válvulas AV
permanecen cerradas.
Aproximadamente 150 ms a 200 ms después del complejo QRS, ocurre la despolarización
ventricular(onda T). Esto provoca que la presión ventricular y la velocidad de
eyección(vaciamiento del ventrículo) disminuyan. La presión ventricular cae ligeramente
por debajo de la presión del tracto de salida, sin embargo, el flujo hacia el exterior todavía
se produce debido a la energía cinética (o inercial) de la sangre que ayuda a impulsar la
sangre hacia la aorta y la arteria pulmonar. Las presiones auriculares aumentan
gradualmente durante esta fase debido al que continúa el retorno venoso en las cámaras
auriculares. Al final de esta fase concluye la sístole.
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Fase 5. Relajación Isovolumétrica: Todas las válvulas cerradas.
Como los ventrículos continúan relajándose y las presiones ventriculares caen, se alcanza
un punto en el que la energía total de la sangre dentro de los ventrículos es menor que la
energía de la sangre en los tractos de salida. Cuando ocurre un gradiente de energía total
inverso, las válvula aortica y pulmonar se cierran abruptamente. En este punto comienza la
diástole.
Fase 6. Llenado rápido: Apertura de las válvulas AV; cierre de las válvulas aortica y
pulmonar.
Cuando las presiones ventriculares caen por debajo de las presiones auriculares, las
válvulas AV se abren y comienza el llenado ventricular. Una vez que las válvulas se abren,
las presiones auriculares elevadas junto a la disminución de las presiones ventriculares
(succión ventricular diastólica) y la baja resistencia de las válvulas AV abiertas derivan en
un llenado pasivo y rápido de los ventrículos. Inicialmente los ventrículos aún se están
relajando, lo que provoca que las presiones intraventriculares continúen cayendo algunos
milímetros de mercurio aunque esté en curso del llenado ventricular. Cuando los
ventrículos están totalmente relajados, sus presiones comienzan a incrementarse a medida
que estos se llenan.
La apertura de las válvulas AV provoca una caída rápida en las presiones auriculares. El
pico de las presiones auriculares justo antes de la apertura de la válvula es la "onda v". A
este pico le sigue el "descenso y" así como la sangre sale de las aurículas. La onda v y el
descenso y son transmitidos al interior de los vasos venosos más próximos también a la
vena yugular en el lado derecho del corazón y la vena pulmonar en el lado izquierdo del
corazón. Clínicamente, los cambios en las presiones auriculares y los pulsos yugulares se
usan en el diagnóstico de la función cardiaca alterada.
Fase 7. Llenado reducido: Válvulas AV abiertas, válvulas aórtica y pulmonar
cerradas.
No existe una delimitación clara entre las fases de llenado rápido y reducido de los
ventrículos. La fase de llenado reducido es el periodo durante la diástole cuando el llenado
ventricular pasivo está a punto de concluir. Esto en ocasiones se denomina como diástasis.
Como los ventrículos continúan llenándose de sangre y se expanden, se vuelven menos
flexibles. Esto provoca que las presiones interventriculares se eleven. La presión aórtica y
la presión arterial pulmonar siguen cayendo durante este periodo así como el flujo
sanguíneo en las circulaciones sistémica y pulmonar. A bajas frecuencias cardíacas, la
longitud de tiempo asignado a la diástole es relativamente largo, lo que alarga el tiempo de
la fase de llenado reducido. Las frecuencias cardiacas reducen la longitud total del ciclo y
se asocian con reducciones en la duración de la sístole y la diástole, a pesar de que la
diástole se acorta mucho más que la sístole. Sin mecanismos de compensación, la reducción
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de la duración del ciclo llevaría a un llenado ventricular menor(EDV reducido). Los
mecanismos compensatorios son importantes para el mantenimiento de un llenado
ventricular adecuado durante el ejercicio.
Para los fines de este trabajo es importante conocer las características principales del ECG,
pero también lo es comprender la información relativa a la onda de presión arterial y la
fotopletismografía que son el tema principal del siguiente capítulo.
11
Capítulo 2.
Onda de presión arterial y Fotopletismografía.
"Ya que la información que el pulso proporciona es de gran importancia y con gran
frecuencia esta es consultada, seguramente debe ser para nuestro beneficio el apreciar
completamente todo lo que nos dice, y extraer a partir de esto cada detalle que pueda
impartirse"
F.A Mohamed 1872 [7].
2.1 Antecedentes
La información proporcionada por la onda de pulso arterial ha adquirido gran
importancia a través de los años . Desde la antigüedad, la presencia del pulso arterial se ha
entendido como un signo vital fundamental. Muchas culturas y civilizaciones aportaron
interpretaciones de los cambios en la textura y grosor del pulso arterial así como los
cambios de salud y enfermedades asociadas[4]. Desde fines de los años 90's se ha
incrementado en gran medida el número de publicaciones sobre este tema, de esta manera
también han aparecido en el mercado instrumentos de medición especializados para
facilitar el registro y procesamiento de este signo; el principio de funcionamiento de
algunos de estos equipos es el mismo que el de instrumentos desarrollados hace varios años
e incluso siglos atrás, por esta razón resulta útil exponer en forma breve y cronológica la
evolución de algunos.
Figura 2.1 a) Esfigmógrafo diseñado por E.J Marie en 1863 [5]. b) Trazo de los pulsos obtenidos con el
esfigmógrafo [5].
En la figura 2.1 se muestran los primeros trazos del contorno del pulso arterial en la
historia, obtenidos por E.J. Marey en 1863, además del dispositivo que desarrolló al cual
12
denominó esfigmógrafo, este usaba una membrana mecánica y un sistema de palanca para
dibujar sobre papel ahumado la forma de la onda del pulso arterial radial[5]. El
esfigmógrafo de Marey fue copiado y mejorado por otros[6,7]. El primer dispositivo
práctico de oclusión arterial se hizo en 1876 por von Basch[8],de acuerdo a la trascendental
publicación de Riva-Rocci[9], fue hasta alrededor de 1900 que se dio un amplio uso de
brazaletes. Eventualmente los esfigmógrafos perdieron terreno ante los electrocardiogramas
para el análisis de ritmo cardiaco y los brazaletes de oclusión para la medición de presión
sanguínea[8,10,11], se llegó a considerar que serían tecnología remplazada por muchos
años.
Pressman y Newgard[12] en 1963 redescubrieron el esfigmógrafo al usar la tecnología del
tonómetro de aplanamiento para medir las formas de la onda de presión arterial en 1963.
Esta es la base de un amplio grupo de transductores para la detección precisa y no invasiva
de las formas de la onda de presión arterial periférica[13,14].
En 1967 el fisiólogo checo Dr. Jan Penaz, patentó un método con el cual era posible la
medición no invasiva de presión arterial en un dedo continuamente, calibrando la forma de
onda con un punto de referencia cero[15]. Penaz después introdujo el método de descarga
vascular no invasivo para la medición continua de la presión sanguínea y su contorno en un
dedo usando la técnica de fotopletismografía.
Probablemente en un futuro los instrumentos de medición seguirán usando y perfeccionado
las bases de los dispositivos mencionados en párrafos anteriores con la finalidad de obtener
registros cada vez mejores de la onda de presión arterial. En la siguiente sección se describe
algunos puntos importantes del pulso arterial, más adelante se presenta la técnica de
fotopletismografía.
2.2 Pulso Arterial
En ocasiones resulta difícil entender cómo se controla el flujo sanguíneo de acuerdo
a las necesidades tisulares y cómo se controlan el corazón y la circulación para
proporcionar el gasto cardiaco y la presión arterial necesarios para el flujo sanguíneo.
El pulso arterial depende de las contracciones del ventrículo izquierdo, la cantidad de
sangre que es eyectada en cada sístole, la frecuencia y el ritmo en que ocurre y la onda de
presión que se produce a través del sistema arterial que depende también de la
distensibilidad de la aorta y de las principales arterias además de la resistencia arteriolar
periférica.
La naturaleza distensible de las arterias les permite acomodarse al gasto pulsátil del corazón
y superar las pulsaciones de la presión, con lo que se consigue un flujo de sangre continuo y
homogéneo a través de los vasos sanguíneos muy pequeños de los tejidos.
13
La distensibilidad vascular comúnmente se expresa como el incremento fraccionado del
volumen por cada milímetro de mercurio que aumenta la presión, lo anterior se resume a la
siguiente fórmula:
En los estudios hemodinámicos es mucho más importante conocer la cantidad total de
sangre que se puede almacenar en una porción dada de la circulación por cada milímetro de
mercurio que aumenta la presión, este valor se conoce como compliancia o capacitancia del
lecho vascular respectivo, es decir:
Con cada latido cardiaco una oleada de sangre llena las arterias, de no ser por la
distensibilidad del sistema arterial, toda esta sangre nueva tendría que fluir a través de los
vasos sanguíneos periféricos cada instante, solo en la sístole y no se produciría flujo
durante la diástole. La compliancia del árbol arterial reduce las pulsaciones de presión hasta
que prácticamente desaparecen en el momento que la sangre alcanza los capilares, por lo
que el flujo sanguíneo tisular es principalmente continuo con un escaso carácter pulsátil.
En la figura 2.2 se muestra un registro típico de las pulsaciones de la presión en la raíz de la
aorta. La presión en la aorta sube al mismo tiempo que el flujo, aunque el máximo del
pulso está ligeramente retrasado con respecto al máximo del pulso de flujo. Al final de la
sístole la presión cae, lo que da lugar a un descenso de la onda hasta la llamada incisura de
la válvula aórtica. En la fase diastólica no hay un descenso lineal de la presión sino
momentáneamente, una ligera subida que se conoce como punto dicrótico. Seguidamente,
la presión sigue cayendo hasta un mínimo que es la presión arterial diastólica[16].
Normalmente, en un adulto joven la presión en el momento máximo de cada pulso (presión
sistólica) es de aproximadamente 120 mmHg y en el momento más bajo (presión diastólica)
de aproximadamente 80 mmHg. La diferencia entre estas dos presiones aproximadamente
40 mmHg se denomina presión de pulso. En la figura 2.3 se muestran algunas situaciones
de la circulación que provocan perfiles anormales de la onda de pulso de presión, además
de alterar la presión de pulso, entre ellas la estenosis aórtica, la arterioesclerosis, el
conducto arterioso permeable y la insuficiencia.
Son dos los factores principales que afectan a la presión del pulso: 1) el volumen sistólico
del corazón, 2) la capacitancia (distensibilidad total) del árbol arterial. Un tercer factor
menos importante es el carácter de la eyección del corazón durante la sístole.
14
En general, cuanto mayor sea el volumen sistólico, mayor será la cantidad de sangre que
deba acomodarse en el árbol arterial con cada latido cardiaco y por lo tanto, mayores serán
el ascenso y la caída de presión durante la sístole y la diástole, con la siguiente mayor
presión de pulso.
Figura 2.2 Registro de la presión en la raíz de la aorta ascendente [1].
Figura 2.3 Perfiles anormales de la onda de pulso de presión [1] .
Por otra parte, cuanto menos capacitancia tenga el sistema arterial, mayor será el aumento
de la presión para cada volumen sistólico dado bombeado a las arterias.
15
Cuando el corazón bombea sangre a la aorta durante la sístole, al principio solo se distiende
la porción proximal de la arteria, porque la inercia de la sangre impide el desplazamiento
rápido de la misma hacia la periferia más alejada. Sin embargo, la subida de presión en la
aorta central supera con rapidez esta inercia y el frente de la onda de la distensión se
extiende mas y mas a lo largo de la aorta. Este fenómeno se conoce como transmisión del
pulso de presión en las arterias.
Cuanto mayor sea la capacitancia de cada segmento vascular, menor será la velocidad, lo
que explica la lenta transmisión en la aorta y la transmisión mucho más rápida en las
arterias distales pequeñas mucho mas distensibles.
Se conoce como amortiguamiento de los pulsos de presión a la disminución progresiva de
las pulsaciones, mostrado en la figura 2.4. La cauda es doble: 1) La resistencia al
movimiento de la sangre en el vaso, 2) La capacitancia de los vasos. La resistencia
amortigua las pulsaciones porque una pequeña cantidad de sangre debe fluir hacia delante
en el frente de onda de pulso para distender el siguiente segmento de vaso; cuanto mayor
sea la resistencia mas difícil será que esto ocurra. La capacitancia amortigua las pulsaciones
porque cuanto mayor es la capacitancia de un vaso, mayor debe ser la cantidad de flujo
sanguíneo en el frente de la onda de pulso para que la presión aumente.
Figura 2.4 Amortiguamiento de los pulsos de presión [1].
Por tanto y en efecto la magnitud del amortiguamiento es casi directamente proporcional al
producto de la resistencia por la capacitancia.
16
El pulso normal se palpa como una onda, con una fase ascendente y otra descendente. Se
puede palpar en distintas partes del cuerpo. Diversas técnicas e instrumentos médicos
permiten el registro de las ondas de presión de distintas regiones dadas del cuerpo. En la
siguiente sección se explica a detalle la fotopletismografía.
2.3 Fotopletismografía
La fotopletismografía (PPG) es una técnica de medición óptica no invasiva usada
para detectar continuamente los cambios del volumen sanguíneo en el lecho micro vascular
de un tejido[17]. Comúnmente la medición se lleva a cabo en un dedo de la mano, también
se puede realizar la medición en otras partes del cuerpo como las orejas y los dedos del pie.
La fotopletismografía tiene una amplia aplicación clínica como tecnología utilizada en
muchos dispositivos médicos disponibles comercialmente, por ejemplo en oxímetros de
pulso, sistemas de medición de presión sanguínea latido a latido y para diagnóstico
vascular.
Aunque el método es simple, provee una medición pobre de los cambios de volumen,
además de que es demasiado sensible a movimientos.
La figura 2.5 muestra la morfología de la señal fotopletismográfica, consta de una
componente pulsátil (AC), atribuido a los cambios sincrónicos de volumen sanguíneo que
se producen con la contracción y relajación cardiaca durante cada latido, tiene una
frecuencia típica de 1 Hz (depende de la frecuencia cardiaca). La componente AC se
sobreañade a una componente de muy lenta variación (DC) con diferentes patrones de bajas
frecuencias relacionados con los cambios respiratorios, termorreguladores, ondas THM
(Traube Hering Mayer) y de la actividad del sistema nervioso simpático.
En la figura 2.6 se observa que la circuitería básica de la fotopletismografía requiere
solamente de algunos componentes optoelectrónicos: una fuente de luz(comúnmente roja o
cercana a la longitud de onda infrarroja) para iluminar el tejido (piel), un fotodetector para
medir las pequeñas variaciones de intensidad luminosa asociada con los cambios de
volumen sanguíneo durante la perfusión que modifican la absorción, reflexión y dispersión
de la luz, y circuitos para el acondicionamiento de la señal.
Los LED's convierten la energía eléctrica en energía luminosa, son compactos y tienen un
periodo de vida largo (105 h), operan sobre un amplio rango de temperatura con pequeños
cambios en el máximo ancho de banda emitido, son robustos y fiables. La intensidad de los
LED's debe ser constante y de preferencia lo suficientemente baja para minimizar el
calentamiento excesivo del tejido local y también para reducir el riesgo de un peligro de
radiación no ionizante.
17
Figura 2.5 Morfología de la señal fotopletismográfica(PPG) invertida y ECG correspondiente. [18]
Figura 2.6 a) Diseño de un amplificador de transimpedancia [18]. b) etapas de acondicionamiento de la señal [18].
Un fotodetector convierte la energía luminosa en corriente eléctrica. Son pequeños, de bajo
costo, y su tiempo de respuesta se considera rápido. Los fotodetectores de infrarrojo
incluyen un filtro de luz diurna.
El foto detector se conecta a los circuitos electrónicos de bajo ruido que incluyen un
amplificador de transimpedancia y a una etapa de filtrado. El filtro pasa altas reduce el
tamaño de la componente DC dominante y separa la componente AC pulsátil después se
amplifica para que esta tenga un valor aproximado de 1 V pico-pico. Es necesaria la
selección cuidadosa de un circuito que remueva los ruidos no deseados tales como la
interferencia eléctrica (50 Hz).
18
Capítulo 3.
Presión sanguínea y su medición
3.1 Presión sanguínea y antecedentes
Galeno (130-200 AD) palpó el pulso y lo clasificó en términos del grosor,
frecuencia y ritmo. Fue hasta 1733 cuando Stephen Hales midió directamente la presión
arterial en un caballo no anestesiado tirado en el suelo. Conectó un tubo de vidrio largo a la
arteria femoral( y luego a la arteria carótida) y observo que la sangre se elevaba 8 ft (pies) 3
in(pulgadas) sobre el nivel del ventrículo izquierdo. Reportó variaciones cardiacas y
respiratorias en la altura de la columna de sangre. La presión correspondiente a 99 pulgadas
de sangre es 186 mm Hg. Sin embargo, fue hasta 1828 cuando Poiseuille introdujo el
manómetro de tubo en forma de U y se obtuvo la unidad para medir la presión sanguínea
(mm Hg). La presión sanguínea casi siempre se ha medido en milímetros de mercurio,
porque el manómetro de mercurio( mostrado en la figura 3.1) se ha utilizado desde la
antigüedad como modelo de referencia para medir la presión. El mercurio del manómetro
no puede elevarse o caer con rapidez debido a que tiene demasiada inercia. Siempre que se
desee registrar presiones que cambien apresuradamente, es necesario otro tipo de medidor
de presión.
Figura 3.1 Registro de la presión arterial con un manómetro de mercurio [1].
19
De forma ocasional, la presión se mide en centímetros de agua( como H2O). Una presión de
10 cm de H2O significa una presión suficiente para elevar una columna de 10 cm contra la
gravedad.
La presión sanguínea es un indicador importante de estado del sistema cardiovascular en
los seres humanos y otros organismos. La presión sanguínea arterial no es más que la fuerza
ejercida contra el área de la pared vascular a partir del flujo sanguíneo originado por el
bombeo del corazón. Esta variable fisiológica puede ser obtenida con una mayor
disponibilidad en comparación con otras que requieren mayor complejidad.
Las presiones comúnmente tomadas a un sujeto suelen ser los valores instantáneos de la
presión máxima o sistólica, la presión diastólica o mínima y la presión media. Las presiones
sistólica y diastólica fueron medidas correctamente por primera vez por Fick[19] en 1864,
empleó un tubo Bourdon acoplado a una aguja que inscribía los registros en un quimógrafo
ahumado.
La presión sanguínea no es constante, varia con la respiración y la frecuencia cardíaca. Por
otras parte hay ondas vasomotoras que reflejan un esfuerzo del sistema de regulación para
mantener una presión constante.
Los niveles absolutos de presión arterial varían en función de la edad, el sexo, la raza y
otros factores como el ejercicio físico y psíquico, la digestión y la carga emocional. De
acuerdo a los valores de presión arterial pueden establecerse distintas categorías según las
cuales puede determinarse si el individuo presenta valores de presión arterial normales o
valores de hipertensión. En la tabla I se clasifica la presión arterial en función de su valor.
Tabla I. Clasificación de la presión arterial en función de su valor
(tomado de: Joint National Commitee - VI, 1997)
Categoría
Presión Arterial
Presión Arterial
Sistólica (mm Hg) Diastólica(mm Hg)
Normal
< 130
< 85
Normal elevada
130-139
85-89
Hipertensión
≥ 140
≥ 90
Existen métodos directos de alta fidelidad para medir la presión sanguínea. La figura 3.2
muestra los elementos y principios de funcionamientos básico de tres transductores de
presión electrónicos que se utilizan habitualmente para convertir la señal de la presión
sanguínea en señales eléctricas para posteriormente registrarlas en dispositivos grabadores
eléctricos de alta velocidad. Cada transductor utiliza una membrana de metal muy fina y
distendida que forma una pared de la cámara líquida. La cámara líquida está conectada a su
20
vez a través de una aguja o de un catéter al vaso sanguíneo en el que se va a medir la
presión.
En el transductor A, se coloca una simple palanca de metal a unas décimas de milímetro
por encima de la membrana. Cuando la membrana hace prominencia se acerca a la placa,
con lo que aumenta la capacitancia eléctrica entre las dos.
En el transductor B una pequeña pieza de hierro se apoya en la membrana y puede
desplazarse hacia arriba dentro de una bobina de cable eléctrico. El movimiento del hierro
cambia la inductancia de la bobina.
En el transductor C se conecta a la membrana un alambre de resistencia muy delgado y
estirado. Cuando este alambre se estira mucho, su resistencia aumenta, cuando se estira
menos su resistencia disminuye. Los cambios de capacitancia, inductancia y resistencia,
pueden registrarse en un sistema electrónico adecuado. De esta forma se tiene un registro
fiable de los cambios rápidos de presión.
Para medir la presión arterial no es razonable recurrir a aparatos de registro que requieren la
introducción de una aguja en una arterial, solo en ocasiones son indispensables para
estudios especiales. En su lugar, la determinación de la presión sistólica y diastólica se hace
de manera indirecta, habitualmente mediante el método auscultatorio.
Figura 3.2 Transductores electrónicos para convertir
la señal de presión sanguínea arterial en una señal eléctrica [1].
21
3.2 Método indirecto de medición: Auscultación
Todos los métodos clínicos para la medición indirecta y no invasiva de la presión sanguínea
utilizan tiempo de muestreo, dicho de otra manera, no permiten una medición continua. La
mayoría o casi todos utilizan un brazalete inflable para aplicar contrapresión y ocluir una
arteria subyacente que se libera lentamente de la contrapresión por la deflación gradual del
brazalete.
La habilidad para identificar las presiones sistólica, diastólica y media correctamente
depende del método empleado y de la velocidad de deflación del brazalete en relación a la
frecuencia cardiaca.
El método de medición indirecta de presión sanguínea más habitual es el de auscultación.
En 1905 Korotkoff describió su método para la medición no invasiva de presión sanguínea
en un hombre[20]. Empleando un brazalete Rivva Rocci y un estetoscopio describió la
secuencia de sonidos que ocurren durante la deflación del brazalete desde una presión
mayor que la sistólica a cero. Determinó que el primer sonido señalaba la presión sistólica,
y el punto en el que desaparecía los sonidos identificaba la presión diastólica. La figura 3.3
ilustra el método.
Figura 3.3 Método auscultatorio para la medición no invasiva de presión sanguínea [8].
22
Goodman y Howell [21] reconocieron las siguientes cinco fases de los sonidos:
FASE I Fuerte tono aprensivo con un claro corte
FASE II Una sucesión de murmullos
LA desaparición de los murmullos y la aparición de un tono parecido al tono de la
FASE III
primera fase pero menos marcado
FASE IV El tono se vuelve menos claro en calidad o se vuelve más nublado
FASE V La desaparición de todos los sonidos
Ocasionalmente, durante la deflación del brazalete, los sonidos aparecen, desaparecen
reaparecen, después nuevamente desaparecen, la primer desaparición ocurre cuando la
presión del brazalete se encuentra entre los valores de presión media y presión sistólica.
Este fenómeno se conoce como brecha auscultatoria, en la figura 3.4 puede observarse,
además se indican las cinco fases y su valor aproximado en mmHg .
Figura 3.4 Fases de los sonidos de Korotkoff y su valor aproximado en mmHg y estimación de la intensidad del
sonido en cada fase [8].
23
Para realizar el método de auscultación, el Voluntario debe estar cómodamente sentado,
con el brazo ligeramente flexionado y con el antebrazo apoyado sobre una superficie lisa a
la altura del corazón. La toma de la lectura en otra posición debe especificarse.
Probablemente no haya gran diferencia entre las presiones arteriales registradas en personas
normales sentadas y las registradas en personas normales de pie. Sin embargo en ciertas
personas existe una notable diferencia en la presión arterial en diferentes posiciones, si el
Voluntario además de estar sentado tiene otro posiciones se debe considerar.
El brazalete desinflado se debe colocar con un margen inferior de alrededor de dos
centímetros y medio por encima del espacio antecubital. Se debe tener cuidado para
asegurar que el centro de la cámara de aire se aplica directamente sobre la superficie
medial. Se debe hacer una palpación previa para determinar aproximada de la presión
sistólica, para que el examinador tenga una estimación de la presión máxima a la que el
sistema necesita ser elevado en determinaciones posteriores.
La campana del estetoscopio debe aplicarse al espacio antecubital sobre la arteria braquial
previamente palpada. La cabeza del estetoscopio debe aplicarse firmemente pero con una
presión tan pequeña como sea posible, y sin que haya espacios entre la piel y el
estetoscopio . Demasiada presión distorsionaría a la arteria y se producirían sonidos en
presiones menores a la diastólica. El estetoscopio no debe tocar la ropa o el brazalete.
Con el estetoscopio colocado, la presión se eleva aproximadamente 30 mmHg por encima
del punto en el que el pulso radial desaparece, después se libera a una velocidad de 2 a 3
mmHg por segundo. La deflación rápida o muy lenta provoca errores sistemáticos.
Como la presión cae, los sonidos de Korotkoff empiezan a escucharse sobre la arteria por
debajo del puño y pasan a lo largo de cuatro fases a medida que disminuye la presión y los
sonidos desaparecen.
En algunos sujetos, particularmente en Voluntarios hipertensos, los sonidos usuales se
escucha sobre la arteria cuando la presión del brazalete es alta, desaparecen a medida que la
presión disminuye y después reaparece con un nivel mínimo. La desaparición temporal de
los sonidos se denomina brecha auscultatoria y ocurre durante la última parte de la fase I y
la fase II. Debido a que la brecha auscultatoria puede cubrir un rango de 40 mmHg uno
puede subestimar el valor de presión sistólica o sobrestimar la presión diastólica. Cuando
todos los sonidos han desaparecido se debe desinflar rápidamente y completamente el
brazalete.
24
3.2.1 Presión sistólica, diastólica y media.
Justo en el momento en el que la presión del brazalete cae por debajo de la presión sistólica,
la sangre comienza a fluir a través de la arteria por debajo del brazalete durante la presión
sistólica, con lo que comienzan a escucharse ruidos de golpeteo, sincrónicos con el latido
cardiaco, en la arteria antecubital.
Cuando la presión en el brazalete disminuye e iguala a la presión diastólica, la arteria ya no
se ocluye, lo que significa que el factor básico que provoca los sonidos( el chorro de sangre
a través de una arteria apretada) ha desaparecido.
La presión arterial media, es la media de todas las presiones medidas milisegundo a
milisegundo durante un periodo dado. No es igual a la media de las presiones sistólica y
diastólica, porque la presión se mantiene más cerca de la presión diastólica que de la
sistólica durante la mayor parte del ciclo cardiaco, a todas las edades y especialmente en las
avanzadas, en la figura 3.5 se refleja lo anterior. Por tanto, la presión arterial media se
determina aproximadamente con el 60% de la presión diastólica y el 40% de la sistólica.
Figura 3.5 Relación de la presión media con la presión sistólica y diastólica de acuerdo a la edad [1].
El método auscultatorio para la determinación de las presiones sistólica y diastólica no es
del todo exacto, pero habitualmente ofrece valores en torno al 10% de los determinados
mediante mediciones arteriales directas
25
3.3 Método oscilométrico
La determinación oscilométrica de presión arterial se basa en la observación de la
amplitud de las oscilaciones de pulso a través del brazalete, cuando este es desinflado.
Marey demostró por primera vez en 1876, y posteriormente se confirmó, que cuando las
oscilaciones de la presión en un manguito de esfigmomanómetro se registran durante el
deshinchado gradual, la presión correspondiente al momento de máxima oscilación
equivale a la presión arterial media obtenida por registro intra-arterial. Las oscilaciones
empiezan muy por encima de la presión sistólica y continúan por debajo de la diastólica,
por lo que se debe determinar las presiones sistólica y diastólica mediante formulas
matemáticas basadas en el valor de la presión arterial media calculada o indirectamente
mediante algún algoritmo establecido empíricamente.
La presión sistólica se considera como la correspondiente al momento en que la oscilación
aumenta bruscamente y la diastólica como el momento en que la oscilación disminuye
rápidamente.
Una ventaja de este método es que no es necesario colocar ningún transductor sobre la
arteria humeral, con lo que la colocación del manguito no tiene una importancia crucial.
El principal problema de esta técnica es que la amplitud de las oscilaciones depende de
diversos factores aparte de la presión arterial, el más importante de los cuales es la rigidez
de las arterias, además de que no permite una medición continua.
3.4 Cateterismo arterial
Un catéter arterial (mostrado en la figura 3.6) es una sonda hueca delgada que se
coloca en una arteria(vaso sanguíneo grande) en la muñeca, ingle u otra localización para
medir la presión sanguínea con mayor precisión de la que es posible con el manguito de
presión[22]. Esto recibe a menudo el nombre de "vía arterial" en las unidades de cuidados
intensivos(UCI).
El catéter arterial permite medir la presión sanguínea de forma precisa y de manera
continua; las mediciones repetidas se denominan monitorización. El uso de esta técnica
implica ciertos riesgos:
Infecciones: Como sucede con todas las sondas insertadas en el organismo, las bacterias
pueden pasar a través de las mismas desde la piel al torrente circulatorio.
Coágulos de sangre: Si se forman coágulos de sangre en la punta de un catéter arterial,
pueden obstruir el flujo sanguíneo. Por ello el conducto es llenado incialmente con una
26
solución que contiene anticoagulante (heparina) para evitarlo, pero aún si no se tienen los
cuidados necesarios, si se formara un coágulo y no existe otro vaso sanguíneo que aporte
sangre a la zona de mas allá del coagulo, ello puede causar la pérdida de un brazo o una
pierna.
Figura 3.6 Catéter arterial [22]
3.5 Definición del PAT
El monitoreo diario de la presión sanguínea requiere técnicas de medición no
invasivas. El seguimiento de este signo es importante para el diagnóstico y la prevención de
enfermedades cardiovasculares.
Para la medición continua de la presión sanguínea, hasta hace poco era preciso recurrir a la
medición invasiva, como se mencionó en la sección anterior con él cateterismo. El método
invasivo tiene efectos retroactivos que modifican a su vez los valores, aparte de la
influencia de aspectos psicológicos debidos al carácter de estos métodos. Por otro lado, la
medición de la presión sanguínea con dispositivos de oclusión, hace que los Voluntarios se
pongan nerviosos, lo cual resulta inconveniente.
Una alternativa para la estimación de la presión sanguínea de manera no invasiva es el
tiempo de arribo de pulso, o por sus siglas en ingles PAT, depende de un par de sitios de
referencia, es decir el PAT es el tiempo necesario para que la onda de presión arterial viaje
entre un sitio proximal a otro distal.
27
Se puede determinar a partir de un electrocardiograma(ECG) y la fotopletismografía(PPG)
en un dedo. El PAT comúnmente se calcula como la diferencia de tiempo entre la onda R
de un ECG y un punto referencia de la onda del pulso proveniente de la señal PPG. Se ha
demostrado su relación con la presión arterial[23].
El complejo QRS refleja la excitación del músculo ventricular y el comienzo de la sístole
ventricular. Los ventrículos conservan su volumen hasta que la presión intraventricular
supera la presión dentro de la aorta y la arteria pulmonar, la válvula aórtica y la válvula
pulmonar se abren y la sangre sale de los ventrículos hacia la circulación periférica y hacia
los pulmones respectivamente(Figura 3.7).
Figura 3.7 A) Todas las válvulas cerradas [2]. B) Vaciado de los ventrículos hacia la circulación periférica y
pulmonar respectivamente [2].
Con la señal fotopletismográfica de una arteria es posible monitorea el arribo del pulso
sanguíneo proveniente de la circulación periférica .
Comúnmente el PAT puede ser considerado como un índice de rigidez arterial(expresado
como índice de augumentación, es decir la capacidad que tiene la capa media de contraerse
y expandirse para compensar los cambios de presión dentro del sistema circulatorio), y ha
sido empleado indirectamente para la estimación de la presión arterial[24].
28
Capítulo 4.
Estimación del PAT
Para este trabajo se decidió optar por la técnica del PAT para la estimación de la presión
sanguínea por ser una técnica no invasiva y que permite obtener un monitoreo casi continuo
de su valor (latido a latido), por tanto para ello es necesario procesar señales de ECG y PPG
registradas de manera simultánea, de las cuales se obtendrá el PAT correspondiente a cada
ciclo cardiaco. Las señales que se analizaran se adquirieron con el sistema de monitoreo de
señales fisiológicas de origen cardiovascular en personas sentadas [25].
4.1 Determinación del PAT
Para la determinación de los intervalos, se analizarán las señales de ECG y PPG de 20
personas sanas, ciclo a ciclo. Por individuo se cuenta con tres registros:
Tabla II. Tipo de registro.
Tipo de registro
Descripción del registro
1
Reposo
La persona permanece en una posición de reposo durante un minuto.
2
Ejercicio
Respiratorio
3
Maniobra de
Valsalva
Mientras se realiza la medición, la persona debe respirar durante un minuto
siguiendo el ritmo marcado por una señal sinusoidal con una frecuencia
seleccionada por el sujeto, mostrada en un osciloscopio.
La persona realiza la maniobra de Valsalva durante 20-25 segundos. La
duración de este ejercicio es de 1 minuto con 40 segundos.
El segundo y tercer registro, tienen la finalidad de evaluar los efectos de la respiración en la
medición, y generar cambios de presión arterial.
Al finalizar la adquisición de cada registro, se midió la presión arterial del Voluntario con
un medidor de presión arterial digital.
Con la ayuda del software MATLAB®, se analiza cada uno de los registros para la
determinación del PAT correspondiente, siguiendo la metodología mostrada en el diagrama
a bloques de la figura 4.1. El filtrado de señales es recomendable únicamente para la etapa
de procesamiento; la detección de los sitios para el cálculo de intervalos es de mayor
utilidad si se realiza sobre las señales originales para evitar generar un cambio en la fase de
la señal y por tanto medir un PAT incorrecto.
29
Lectura del
archivo
Separación de
las señales
Detección del
complejo QRS
Detección de
la onda R
Detección del
pico del PPG
Estimación del
PAT
Figura 4.1 Metodología para la determinación del tiempo de arribo de pulso
4.1.1 Detección del complejo QRS
Posterior a la lectura y separación de las señales, se realiza un procesamiento al
electrocardiograma para facilitar la detección del complejo QRS, la figura 4.2 muestra los
procedimientos a los que se somete el ECG, a continuación se detalla cada una de las
etapas.
La etapa de filtrado comprende dos filtros. El primer filtro es un pasa bajas con una
frecuencia de corte igual a 40 Hz, para eliminar la interferencia de la línea eléctrica
(60 Hz). En la figura 4.3 se presenta la señal original (A) y la señal filtrada (B), se observa
una notable reducción de la interferencia, sin embargo, los registros presentaban
movimiento de la línea base, como se muestra en la figura 4.4A.
ECG
Filtrado
Primera
derivada
Asignación de
un umbral
Detección de
QRS
Figura 4.2 Procesamiento de ECG
Figura 4.3 A) Señal de electrocardiograma original B) Señal con un filtro pasa bajas a 40 Hz.
Remover el movimiento de línea base, requiere que la señal se filtre nuevamente, para esto
se ocupa un filtro pasa altas con frecuencia de corte igual a 2 Hz. La figura 4.4 muestra la
señal con movimiento de línea (A) y la señal sin movimiento (B). Ambos filtros no afectan
30
el objetivo del procesamiento que es encontrar el complejo QRS, ya que la banda de
frecuencia de éste se encuentra entre los 5 Hz y15 Hz [26].
Figura 4.4 A) ECG con movimiento de línea base B) ECG sin movimiento de línea base.
Tener la señal de ECG con poca interferencia y sin movimiento de línea base resulta
ventajoso para ubicar el complejo QRS. Posterior al filtrado, debido al alto nivel de
pendiente del complejo QRS, se obtiene la primera derivada (ECG').
En la figura 4.5 B) los valores de ECG', como se esperaba, son prominentes positiva y
negativamente en el segmento del complejo QRS en comparación a las otras ondas propias
del ECG, dicha prominencia hace posible asignar ya sea un umbral positivo (UMAX) o un
umbral negativo (UMIN) y de esta manera ubicar los complejos QRS. La figura 4.5 C)
muestra los eventos encontrados con este método. En este trabajo se utilizó la pendiente
negativa de ECG’ y se estableció UMIN como la mitad del valor promedio de los picos
negativos de todo el registro.
31
Figura 4.5 A) Electrocardiograma, B) Electrocardiograma derivado (ECG'), UMAX umbral positivo, UMIN
umbral negativo, C) Eventos
Los eventos se registran como en la tabla III, en esta se deposita la información
correspondiente al número de evento (pulso encontrado), muestra inicial, muestra final y la
diferencia entre ambas.
Tabla III. Información correspondiente a los eventos detectados.
# Evento
Muestra inicial
Muestra Final
Diferencia
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
82126
85237
88457
91780
95135
98404
101601
104671
107591
110398
82192
85304
88516
91840
95194
98463
101661
104735
107650
110458
66
67
59
60
59
59
60
64
59
60
32
Para evitar falsos positivos, es decir, la detección de latidos inexistentes, se descartaron
aquellos eventos que tuvieran una diferencia menor o igual a 40 muestras.
4.1.2 Detección de la onda R
Para detectar la onda R se procedió de la siguiente manera. A partir de la muestra
inicial de cada evento, se estableció un intervalo de 400 muestras hacia atrás, dado que se
utilizó la sección negativa de la derivada. En ese intervalo se buscó el valor máximo sobre
la señal original (sin filtrar) que debería corresponder a la ubicación de la onda R. En la
figura 4.6A se muestran unas ubicaciones encontradas con este algoritmo.
4.1.3 Detección del pico de la onda de flujo sanguíneo
El algoritmo para la detección del pico de la onda de flujo sanguíneo es el mismo
algoritmo para la detección de la onda R. Sabiendo que a cada ciclo cardiaco corresponde
una onda de flujo sanguíneo, el intervalo de datos a analizar se establece entre la onda R del
ciclo actual y la siguiente onda R como límites. En la figura 4.6B se han marcado los picos
encontrados con este algoritmo.
Figura 4.6 Resultado del algoritmo para la detección de la onda R del ECG y el pico del PPG.
4.1.4 Medición del PAT
El PAT se determina a partir de la diferencia entre los picos del PPG y la respectiva
onda R del ECG. La tabla IV muestra un ejemplo de los valores de PAT calculados.
En la figura 4.7 se muestra la longitud del PAT estimado desde la onda R del ECG (figura
superior) hasta el pico del PPG (figura inferior).
33
Tabla IV. Registro de los tiempos correspondientes a la onda R, el pico de la onda PPG, y el PAT calculado.
# Evento
Dato inicial
Dato Final
Dimensión
Onda R
Pico PPG
Tiempo
Onda R(s)
Tiempo
Pico PPG(s)
PAT(s)
29
82126
82192
66
82060
83273
20.515
20.81825
0.30575
30
85237
85304
67
85162
86362
21.2905
21.5905
0.3015
31
88457
88516
59
88382
89598
22.0955
22.3995
0.306
32
91780
91840
60
91701
92907
22.92525
23.22675
0.30025
33
95135
95194
59
95060
96274
23.765
24.0685
0.30675
34
98404
98463
59
98329
99522
24.58225
24.8805
0.2985
35
101601
101661
60
101528
102722
25.382
25.6805
0.2985
36
104671
104735
64
104598
105830
26.1495
26.4575
0.3105
37
107591
107650
59
107518
108758
26.8795
27.1895
0.31225
38
110398
110458
60
110317
111519
27.57925
27.87975
0.2985
Figura 4.7 PAT estimado.
34
Capítulo 5.
Resultados
Después de medir el PAT en todos los registros, se analizó el comportamiento
simultáneo de los intervalos medidos y los picos de la onda de flujo sanguíneo. Las
medidas realizadas sugieren relación inversa entre los intervalos de tiempo y la onda de
flujo. Como se mencionó en el capítulo anterior, por persona se tienen tres registros
medidos en situaciones distintas, cada uno aportó información importante, sin embargo el
de mayor utilidad fue el tercer registro, en éste los sujetos llevaban a cabo la maniobra de
Valsalva. A continuación se describen los resultados generales por cada tipo de situación.
5.1 Reposo
Durante la adquisición del primer registro las personas se mantenían en reposo
durante un minuto, al final calculaba el promedio de los intervalos PAT de todos los
latidos. La figura 5.1 muestra un ejemplo de los cambios del PAT durante el registro, los
cuales pueden ser debidos a la respiración.
Figura 5.1 Variación del PAT en situación de reposo correspondiente al Voluntario 4.
35
5.2 Ejercicio respiratorio
Durante la adquisición del segundo registro se realizaba un ejercicio respiratorio, las
personas debían mantener un ritmo al respirar marcado por una onda sinusoidal con una
frecuencia de entre 200 mHz y 230 mHz mostrada en un osciloscopio [25].
El análisis de los registros con esta situación demuestra los efectos de la respiración sobre
la onda de flujo sanguíneo modulando su amplitud. La figura 5.2 muestra un ejemplo de los
cambios del PAT durante el registro.
Figura 5.2 Variación del PAT durante un ejercicio respiratorio correspondiente al Voluntario 4
5.3 Análisis de la variación de presión sanguínea y el PAT
La tabla V muestra la información sobre las características físicas de los voluntarios
cuyos registros se han analizado. Se midió la presión arterial al final del ejercicio en reposo
(Presión inicial en la Tabla V) y al final del ejercicio de respiración (Presión final en la
Tabla V). Para cada ejercicio se calculó el PAT promedio de todo el registro para tener un
PAT inicial (correspondiente al ejercicio en reposo) y un PAT final (que corresponde al
ejercicio de respiración).
La relación entre la variación de presión sanguínea sistólicay la variación de los PAT
correspondiente a los Voluntarios 2, 6, 7 y 10 es inversa como se esperaba, mientras que la
de los Voluntarios restantes es directa. En cuanto a la relación entre la variación de presión
sanguínea diastólica y la variación de los PAT correspondiente a los voluntarios 2, 3, 7 y 8
es inversa, para el resto de los Voluntarios la relación es directa.
36
Tabla V. Presión arterial y PAT medido correspondiente a los ejercicios de reposo y de respiración.
Edad
(años)
Peso
(Kg)
Estatura
(m)
Frecuencia de
respiración
Presión inicial
(mm Hg)
Presión final
(mm Hg)
PAT
inicial(s)
PAT
final(s)
Voluntario 1
37
65
1,66
210
114/81
107/65
0.342271
0.334676
Voluntario 2
23
70
1,70
215
120/72
127/75
0.350066
0.343132
Voluntario 3
21
82
1,70
215
146/72
138/86
0.335496
0.304441
Voluntario 4
22
90
1,85
210
107/69
110/70
0.346055
0.350229
Voluntario 5
25
70
1,62
225
103/73
97/67
0.348714
0.332794
Voluntario 6
23
52
1,57
225
106/67
105/69
0.288779
0.289648
Voluntario 7
22
70
1,66
200
111/65
99/60
0.297271
0.308828
Voluntario 8
24
80
1,80
220
110/61
109/71
0.361455
0.360159
Voluntario 9
21
70
1,66
200
93/70
96/70
0.292358
0.293747
Voluntario 10
22
78,5
1,66
200
115/89
132/80
0.335196
0.33020
5.4 Maniobra de Valsalva
Mientras se adquiría el tercer registro, cada sujeto realizaba una maniobra llamada
como maniobra de Valsalva durante 20 a 25 segundos aproximadamente, comenzando
alrededor del segundo 20 del registro. Este experimento con frecuencia es utilizado para
generar cambios de presión.
La maniobra de Valsalva consiste en que el sujeto debe tratar de espirar con la boca y nariz
cerradas, de forma que se mantenga una presión intratorácica elevada constante un cierto
periodo de tiempo. Además, la maniobra provoca cambios en el ritmo cardiaco, la presión
sanguínea, el volumen de embolada y la contractibilidad del miocardio [27].
La maniobra de Valsalva suele dividirse en cuatro fases en base al cambio de la presión
sanguínea, como puede verse en la figura 5.3.
Figura 5.3 Variación de la presión sanguínea durante las fases de la Maniobra de Valsalva[27].
37
En la fase I, mientras el sujeto contiene la respiración, el aumento de la presión
intratorácica fuerza la sangre del circuito pulmonar hacia la aurícula derecha, provocando
un ligero aumento de la presión sanguínea.
Durante la fase II, la presión intratorácica dificulta el retorno venoso, provocando una caída
súbita del volumen de embolada y de presión sanguínea. La progresiva contracción de los
vasos sanguíneos ocasionada por la caída del volumen de embolada hace que la presión
sanguínea vuelva lentamente a niveles cercanos a los de antes de la maniobra.
La fase III se inicia con la liberación de la presión intratorácica del sujeto, que provoca una
pequeña caída de la presión sanguínea debida a la expansión de los vasos pulmonares y la
aorta.
Finalmente en la fase IV, el aumento del retorno venoso provoca un aumento del volumen
de embolada y la presión sanguínea hasta niveles superiores a los de antes de la maniobra, a
los que después retorna lentamente.
La maniobra de Valsalva resultó un excelente recurso para generar cambios de presión. La
variación del PAT medido en estos registros sugiere una relación inversa con la presión
sanguínea, como se puede apreciar en la figura 5.4.
Figura 5.4 Comportamiento del PAT durante la maniobra de Valsalva correspondiente al Voluntario 1
Se analizaron los registros en los que se observa que los Voluntarios realizaron la maniobra
de forma correcta. Se determinó un PAT para los segundos anteriores al inicio de la Fase I
de la maniobra (PAT inicial en la Tabla VI) y un PAT para los segundos correspondientes
a la Fase III (PAT final en la Tabla VI).
En la figura 5.4 en los instantes correspondientes a la Fase I se observa una disminución en
el valor de los PAT provocado por un aumento de presión sanguínea, durante la Fase III el
valor de los PAT incrementa debido a la caída de presión sanguínea a valores inferiores a
los de antes de iniciar la maniobra.
38
Se puede ver en la tabla VI que para todos los casos el PAT inicial es mayor al PAT final,
lo que corresponde a una relación inversa de la presión sanguínea y el PAT tal como se
esperaba.
Tabla VI. Presión arterial y PAT medido correspondiente al ejercicio de la maniobra de Valsalva.
Voluntario 1
Edad
(años)
37
Peso
(Kg)
65
Estatura
(m)
1,66
Presión
(mm Hg)
108/74
Voluntario 2
23
70
1,70
Voluntario 7
22
70
Voluntario 8
24
80
PAT inicial PAT final
0.31617
0.28725
120/68
0.31275
0.30116
1,66
102/66
0.29168
0.28005
1,80
109/65
0.34936
0.32913
39
Conclusiones
Se desarrolló un algoritmo que permite detectar eficazmente puntos de interés en
registros de ECG y PPG previamente adquiridos.
El ejercicio respiratorio evidenció que la respiración tiene efecto sobre las señales en el
sentido de modular su amplitud, más no es claro su efecto en la presión sanguínea dado que
no se encontraron efectos en el PAT. Los cambios en los valores de la presión sanguínea
medida podrían ser debidos al instrumento utilizado.
La maniobra de Valsalva es un excelente ejercicio para generar cambios de presión, lo cual
coincidió con los resultados de la estimación del PAT.
Los registros analizados pertenecían a personas jóvenes y aparentemente sanas, sería muy
interesante hacer un análisis en personas que presenten ciertas patologías cardíacas o
enfermedades relacionadas con la presión arterial como hipertensión.
La relación entre la variación de presión sanguínea y la variación de los PAT de la tabla V
es inversa en algunos Voluntarios como se esperaba y en otros es directa.
La tabla VI del ejercicio de la maniobra de Valsalva, sugiere una relación inversa con la
presión sanguínea. Para todos los casos el PAT inicial es mayor al PAT final, lo que
corresponde a un aumento de presión sanguínea tal como se esperaba.
Los resultados obtenidos motivan a implementar un sistema de monitoreo de la presión
sanguínea de forma continua, sin hacer uso de elementos de oclusión. Los valores
registrados en la tabla V y la tabla VI son valores obtenidos con un medidor digital de
presión arterial, este requiere de un periodo de muestreo, lo que resta fiabilidad a la relación
entre el PAT y la presión arterial. Para complementar este estudio, habría que medir la
presión sanguínea latido a latido.
40
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