Mediciones de Flujo y Volumen de Sangre Juan Sebastián Osorio Valencia Investigador GIBEC Módulo Curso de Bioinstrumentación Pregrado Ingeniería Biomédica EIA-CES Mediciones de Flujo y Volumen de Sangre

Contenido Introducción. Método de dilución del indicador por: infusión continua e inyección rápida. Mediciones electromagnéticas de flujo. Mediciones ultrasónicas de flujo. Sensores de velocidad por convección térmica. Mediciones pletismográficas: cámara y fotopletismografía. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Fig. 1. Corazón y simulación de la función valvular [1]. Introducción Fig. 1. Corazón y simulación de la función valvular [1]. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Introducción Medida ideal: Concentración de O2 y otros nutrientes en las células. Medidas de segunda clase: flujo de sangre y cambios en el volumen sanguíneo. Medidas de tercera clase: presión de sangre. Medidas de cuarta clase: ECG. Medición del gasto cardíaco. Por lo general las medidas de flujo de sangre (la que más se acerca a la medida primario de [O2]) son un poco más difícil de efectuar e invasivas. Gasto cardiaco: medida del estado y buen funcionamiento del corazón. Un buen flujo de sangre, junto con el cumplimiento de los requerimientos metabólicos del organismo, es fundamental para el mantenimiento de la vida. Gasto cardiaco: cantidad de sangre entregada al sistema circulatorio por unidad de tiempo, generalmente en L/min Flujometros (como de orificio o turbina) son inadecuados para mediciones del flujo sanguíneo requieren corte de los vasos y posible formación de coágulos. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Introducción Métodos para determinar el flujo sanguíneo Invasivos: dilución de indicador Infusión continua Técnica de Fick Termodilución Inyección rápida Dilución de colorante No invasivos: exploración doppler Onda continua Onda pulsante Métodos invasivos: aquellos en los que se introducen catéteres o transductores en el sistema circulatorio del paciente. Se requiere un ambiente quirúrgico y el auxilio de un hospital que pueda atender cualquier complicación. No inv: se hace con instrumentos que están fuera del organismo, no requieren por lo gral un ambiente quirúrgico (se pueden hacer en un consultorio médico) y las posibles complicaciones se reducen al mínimo. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Método de dilución de indicador Los métodos de dilución del indicador no miden el flujo pulsátil instantáneo sino el promedio de flujo en un número de pulsaciones del corazón. Por infusión continua: Técnica de Fick Técnica de Fick. Es no tóxica, el indicador es un metabolito normal del cuerpo. El gasto cardiaco permanece constante durante varios minutos. F=flujo de sangre. Ca=concentración de O2 arterial. Cv=concentración de O2 venoso. dm/dt=consumo de O2. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Método de dilución de indicador Cv no se puede medir correctamente en la aurícula derecha: La sangre que vuelve de la parte superior del cuerpo tiene una [O2] diferente a la que vuelve de la parte inferior (consumo mayor por parte de diversos órganos –por ejemplo el cerebro-). Cv debe medirse en la arteria pulmonar, luego de mezclarse la sangre en el ventrículo derecho. El cateter debe sostenerse inflando un pequeño balón. El indicador (O2) se inhala de forma pura del espirómetro. El CO2 exhalado es absorbido por filtros con cal sodada, por lo tanto el consumo de O2 es indicado directamente por la tasa de flujo neto de gas. El Ca se puede medir en cualquier arteria. Fig. 2. Técnica de Fick para medición del gasto cardiaco. Indicador es O2, consumo se mide por medio de un espirómetro. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Método de dilución de indicador Por inyección rápida: Ha ido reemplazando al método por infusión continua. Una dosis del indicador es inyectada rápidamente en el torrente sanguíneo. Se miden las variaciones en la concentración. "bolus", significa que se administra directamente y en un periodo de tiempo breve en la vena con jeringa. El indicador se inyecta y la variación de la concentración se mide hasta que desaparece. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Método de dilución de indicador Tiempo de inyección Concentración empieza a aumentar (demora en el transporte). -D. Región de caída exponencial. E. Llegaría hasta t1 si no hubiera recirculación. En este punto se puede ver otro pico debido a la recirculación. F. Punto en el que se mezcla con toda la sangre. Fig. 3. Curva obtenida por medio del método de inyección rápida. La dosis es suministrada en el tiempo A y si no hubiera recirculación, la concentración sería cer0 en el instante E. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Método de dilución de indicador Por inyección rápida: Dilución de colorante Verde de indocianina (ICG): inerte, no peligroso, medible, económico e intravascular. Pico de absorción en 805nm. Inyectado en la arteria pulmonar. Concentración medida en arteria braquial o femoral. Medición por colorimetría. 805nm long de onda en la cual el coef de absorción óptica de la sangre es independiente de la oxigenación. Se diluye en solución salina isotónica e inyectado a través de un catéter por lo general en la arteria pulmonar. 50% excretado por los pulmones en los primeros 10min. Medición por colorimetría usando el ppio de fotometría de absorción Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Método de dilución de indicador http://www.nymc.edu/fhp/centers/syncope/Green%20Dye.htm Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Método de dilución de indicador Termodilución: Método más común. Inyección de solución salina fría en la aurícula derecha. Temperatura medida en la arteria pulmonar. Cateter de cuatro lumenes en la vena braquial: gas por un lumen, solución salina por el otro, cables del termistor y un lumen final para toma de muestras. Algunos errores: intercambio de calor entre la sangre y las paredes del corazón, o las paredes del cateter. El instrumento se puede calibrar simultáneamente con dilución de colorante y aplicando un factor de corrección. Fig. 4. Catéter de cuatro lumen usado en termodilución. Q=entalpía de la solución. pb=densidad de la sangre. cb=calor específico de la sangre. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Método de dilución de indicador http://www.hugo-sachs.de/haemo/car_ou.htm Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Mediciones Electromagnéticas Los flujómetros electromagnéticos miden el flujo pulsátil instantáneo . Operan en cualquier líquido conductivo: solución salina y sangre. Principio: Inducción electromagnética. B=densidad de flujo magnético. L=distancia entre electrodos. u=velocidad instantánea de la sangre. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Mediciones Electromagnéticas Flujómetro DC: Campo magnético dc. Presenta varios problemas. Flujómetro AC: Con corriente magnética ac de aprox. 400Hz. Necesita de un electrodo fantasma o un circuito de supresión de cuadratura. Defectos: necesidad de calibrar a cero. Variabilidad que induce el cambio en el hematocrito cambios en la impedancia eléctrica de la sangre. Fig. 5. Flujómetro EM. La sangre fluye con una velocidad u y pasa por un campo magnético B, induciendo una FEM e, medida por los electrodos. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Mediciones Electromagnéticas Fig. 6. A. Ondas obtenidas en el flujómetro. B. Circuito de supresión de cuadratura. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Mediciones Ultrasónicas Efecto Doppler: Cambio de frecuencia de una onda producido por el movimiento de la fuente respecto a su observador. Ondas de ultrasonido chocan con la sangre en movimiento Velocidad de la sangre relacionada con el cambio en la frecuencia Físico austriaco Cristian Doppler en 1842 predijo teoréticamente que una onda, al ser devuelta por un objeto en movimiento, cambia su frecuencia. Cambia la frecuencia de la onda Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Mediciones Ultrasónicas Fig. 7. Efecto Doppler. Objetos en movimiento cambian la frecuencia de la onda reflejada. v: velocidad del objeto en la dirección del rayo de ultrasonido. c: velocidad del sonido en el medio. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Mediciones Ultrasónicas Campo lejano y cercano para diferentes transductores de ultrasonido. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Mediciones Ultrasónicas Fig. 8. Diferentes configuraciones de transductores de ultrasonido F(2 a 10 MHz). (a) Sonda para medición por tiempo de tránsito. (b) Transcutánea doble. (c) Con lente plástico. (d) Para operación pulsada. (e) Con vidrio de acrílico. (f) Al final de un catéter. (g) Para operación pulsada en catéter. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Mediciones Ultrasónicas 𝑡= 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 𝐷 𝑐± 𝑢 𝑐𝑜𝑠𝜃 t=Tiempo de tránsito D=Distancia recorrida c= Velocidad del sonido ū =Velocidad promedio del flujo sanguíneo Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Mediciones Ultrasónicas Flujómetro por tiempo de tránsito (MFTT): Utiliza la tecnología Doppler pero no dicho principio. Ultrasonido viajando contra la corriente sanguínea toma más tiempo que el que viaja en el sentido de la corriente. Fig. 9. Esquema de diseño del flujómetro por tiempo de tránsito. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Mediciones Ultrasónicas 𝑓 𝑑 = 2 𝑓 𝑜 𝑢𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑐 No puede detectar la dirección del flujo. Fig. 10. Esquema de funcionamiento de un flujómetro de ultrasonido de onda continua simple. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Mediciones Ultrasónicas Otros flujómetros por Doppler: Doppler direccional. Doppler pulsado. Doppler láser. No puede detectar la dirección del flujo. Laser de 632.8nm Fig. 11. Ecógrafos DC3 Mindray. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Mediciones Ultrasónicas No puede detectar la dirección del flujo. Laser de 632.8nm Fig. 12. Flujómetro por Doppler de Laser (LDF). Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Mediciones Ultrasónicas Fig. 13. Prueba de ultrasonido en arteria carótida Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Mediciones Ultrasónicas B A Fig. 14. Imágenes de doppler a color mostrando flujo de sangre en arteria carótida. A. Carótida sana. B. Carótida parcialmente bloqueada. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Sensores de velocidad por convección térmica Enfriamiento por convección del sensor. Solo velocidad local. Sensibilidad alta a bajas velocidades. Método no lineal. Muy importante la localización de la sonda. Fig. 15. Diseño de las sondas. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Sensores de velocidad por convección térmica 𝑊 ∆𝑇 =𝑎+𝑏 𝑙𝑜𝑔𝑢 W=Potencia disipada por el termistor a y b= constantes ∆T = Sobrecalentamiento del termistor por encima de la temp de la sangre u= Velodcdad de la sangre Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Sensores de velocidad por convección térmica Rt es un termistor de compensación de temperatura. Mantiene el puente balanceado (cambios en la temperatura de la sangre). Fig. 16. Circuito para sensor con temperatura constante. Usado en el acondicionamiento de la señal en sensores de velocidad por convección térmica. Rt, menor coeficiente resistencia-temperatura. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Pletismografía de cámara Fig. 17. Pletismografía. Medidas de cambio de volumen en la sangre de las extremidades de una forma no invasiva. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Fotopletismografía Cambios en el volumen del vaso modifican la absorción, reflexión y esparcimiento de la luz. Simple e indica eventos como frecuencia cardiaca. Pobre medida del volumen. Sensible a artefactos de movimiento. GaAs LED  pico de emisión espectral en 940nm. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Fig. 18. Fotopletismografía en el dedo y en la oreja. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Fotopletismografía Fig. 19. Fotopletismografía en (a) modo de transmisión y en (b) modo de reflexión. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Fotopletismografía R1 R2 C1 R3 Fig. 20. Circuito de fotopletismógrafo. La salida del diodo es alterada por la absorción del tejido, lo cual modula el fototransistor. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Páginas y artículos de Interés Cardiac Output: http://www.adinstruments.com/solutions/research/Cardiac-Output/ Photoplethysmography Blood Pressure Measurement: http://memslab.nus.edu.sg/me4284/AY%200405%20Report/Photoplethysmography%20Blood%20Pressure%20Measurement.pdf Corbeta EJ, et al. Laser Doppler flowmetry is useful in the clinical management of small bowel transplantation. Gut 2000;47:580-583 Lu G, et al. A comparison of photoplethysmography and ECG recording to analyse heart rate variability in healthy subjects. Journal of Medical Engineering & Technology 2009; 33:8, 634-641 Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre

Bibliografía [1] Adaptive heart simulation. Tomado de: http://www.math.nyu.edu/~griffith/heart_anim/ [2] J. G. Webster (ed.), Medical Instrumentation: aplication and design. 3rd ed. New York: John Wiley & Sons, 1998. [3] J.G. Webster (ed.), Bioinstrumentation. New York: John Wiley & Sons, 2004. [4] Joseph D. Bronzino (ed.), The Biomedical Engineering Handbook. 2nd ed. Boca Ratón: CRC Press and IEEE Press, 2000. [5] J.G. Webster (ed.) Measurement, Instrumentation and Sensor Handbook. Boca Ratón: CRC Press, 1999. Mediciones de Flujo y Volumen en Sangre