Oxímetria de pulso Principios científicos y descripción del funcionamiento de los monitores de saturación de oxígeno Cátedra Electromedicina / Departamento.

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Transcripción de la presentación:

Oxímetria de pulso Principios científicos y descripción del funcionamiento de los monitores de saturación de oxígeno Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Debido a que el oxígeno es de importancia vital en el funcionamiento de nuestro organismo, es sumamente valioso para la clínica conocer los parámetros que rigen su asimilación e intercambio en los diferentes niveles fisiológicos. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Aspectos fisiológicos de la oxigenación Transporte de Oxígeno El suministro de oxígeno (O2) en el cuerpo lo componen los pulmones y el aparato circulatorio. El suministro de O2 a los tejidos depende de la cantidad de O2 que entra a los pulmones, el adecuado intercambio gaseoso pulmonar, el riego sanguíneo de los tejidos y la capacidad de la sangre para transportar O2. El flujo sanguíneo depende del grado de constricción del lecho vascular en los tejidos y del gasto cardíaco. La concentración de O2 en la sangre está determinada por la cantidad O2 disuelto, la cifra de Hemoglobina de la sangre y la afinidad de la Hemoglobina por el O2. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Una pregunta que el médico se debe responder muchas veces frente a un paciente es cuanto oxígeno hay en sangre y si la cantidad es adecuada. Existen varios parámetros a tener en cuenta para este diagnóstico. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Parámetros como la presión arterial de oxígeno (PaO2), saturación de oxígeno (SaO2), hemoglobina (Hb), presión parcial de oxígeno (PO2), presión parcial de dióxido de carbono (PCO2), son necesarios para establecer el estado hemodinámico de un paciente Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Análisis de estado ácido-base Mediante este análisis bioquímico se determinan PO2, PCO2 y pH, calculándose el estado ácido-base. es un método invasivo que consiste en la extracción de una muestra de sangre del paciente, en general de sangre arterial, pudiendo extraerse de cualquier arteria del cuerpo. Cuando se trata de pacientes de cierta gravedad, como por ejemplo aquellos bajo asistencia respiratoria mecánica (ARM), este dato es crucial, y el análisis debe repetirse frecuente y periódicamente. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Este tipo de estudios presenta entonces dos inconvenientes: Las molestias que se ocasionan al paciente en forma repetida, y más importante aún; Los resultados no son inmediatos sino que se demora en efectuar el análisis en el laboratorio. Esta demora puede ser, en ciertos casos, inadmisible si se requiere operar de modo inmediato sobre los parámetros de la ARM. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

El paso siguiente, naturalmente es pensar en las ventajas que podría tener la monitorización de estos parámetros, de un modo continuo, exacto, no invasivo, e incruento Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

El 99% del O2 que se disuelve en la sangre se combina con la proteína transportadora de O2, la hemoglobina (Hb) La curva de disociación de la HbO2 (oxihemoglobina), es una curva que relaciona el porcentaje de saturación del O2 en la Hb y por tanto su poder de transportación con la PO2 Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Curva normal de disociación del O2 Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Existen factores que pueden afectar la curva de disociación de la HbO2: el pH, la temperatura y la concentración de 2,3 Difosfoglicerato (2,3,DPG). Una elevación de la temperatura o una caída del pH desplazan la curva hacia ala derecha, requiriéndose una PO2 mayor para que la Hb fije una cantidad dada de O2. Por el contrario, un descenso de la temperatura y un aumento del pH desplazan la curva hacia la izquierda. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Desplazamiento a la derecha Desplazamiento a la izquierda Saturación (%) pO2 Normal Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

De cualquier modo, resulta evidente que la saturación de la hemoglobina es una variable que está directamente relacionada con el contenido de oxígeno de la sangre arterial Medir el porcentaje de saturación de la hemoglobina en la sangre arterial nos posibilitará conocer la cantidad de oxígeno transportado, o dicho de otro modo la saturación de oxígeno Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

los principios de la oximetría están basados en la absorción espectro-fotométrica de longitudes de onda específicas de la luz por la sangre definiremos un pulsioxímetro como un espectrofotómetro que mide la absorción de luz de longitudes de onda específicas, al pasar por un lecho vascular arterial pulsátil Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Apuntes de historia En 1860, el invento del espectroscopio por Robert Wilhelm Eberhard Bunsen permitió por primera vez analizar la composición de la luz en longitudes de onda, pero no fue hasta el año 1930, en que la foto-célula de selenio pudo utilizarse en la práctica, que el espectro fue usado para el análisis cuantitativo de la saturación de oxígeno Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Apuntes de historia Milikan desarrolla un método de medición óptica de la saturación sanguínea, debido a que los pilotos de la fuerza aérea de EEUU se desvanecían a causa de las altas fuerzas “G” a que eran sometidos durante las caídas en picada. Se mide en el lóbulo de la oreja, calefaccionándolo, se acuña el término “oxímetro” Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Apuntes de historia Wood agrega una cápsula de presión, para eliminar la sangre del lóbulo y lograr el ajuste de cero, en un esfuerzo para obtener la saturación absoluta de O2. Concepto similar al de los oxímetros convencionales de hoy, pero fallido debido a la inestabilidad de las fotocélulas y las fuentes luminosas. No se emplea clínicamente. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Apuntes de historia Shaw ensambla su primer oxímetro de oreja de lectura absoluta, usando ocho longitudes de onda de la luz. Comercializado por Hewlett Packard, su uso se limita a la función pulmonar y a estudios del sueño, debido al elevado costo y gran tamaño. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Apuntes de historia En 1972, Aoyaghi en Nihon Kohden inventa el oxímetro de pulso convencional usando la relación entre la absorción de la luz roja y la infrarroja, de los componentes pulsantes en el sitio de lectura. Es comercializado en 1981 por BIOX/Ohmeda y por Nellcor en 1983. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Principio de funcionamiento en Oximetría convencional La reacción del oxígeno con la hemoglobina aumenta enormemente la transmisión de la luz roja a través de soluciones conteniendo hemoglobina y por tanto, de la sangre, mientras que a nivel del infrarrojo el efecto del oxígeno es opuesto, es decir, hace la sangre más opaca. Con las otras longitudes de onda no hay cambios en la absorción de la luz Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Oxigenada (HbO2) con moléculas de O2 débilmente enlazadas El funcionamiento del oxímetro se basa en el supuesto de que la hemoglobina existe en dos formas principales en la sangre: Oxigenada (HbO2) con moléculas de O2 débilmente enlazadas Reducida (Hb) sin enlace con moléculas de O2 Ambas formas absorben diferentes cantidades de luz. El oxímetro mide la absorción relativa de luz roja a 660 nm y de luz infrarroja a 940 nm por parte de la HbO2 y la Hb. Debido a que la HbO2 y la Hb permiten que diferentes cantidades de luz pasen en estas longitudes de onda, el oxímetro puede convertir esta información de intensidad de luz relativa en valores de SpO2 y pulso. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Absorción de luz, para diferentes longitudes de onda y para diferentes tipos de Hb Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Un oxímetro de pulso indica la saturación de oxígeno arterial y el pulso del paciente midiendo la absorción de luz de estas longitudes de onda. La sonda aplicada al paciente emite una luz que pasa a través del tejido y se convierte en una señal electrónica por medio del fotodetector. El tejido absorbe cierta cantidad de luz. La señal electrónica pasa al equipo y es amplificada. El circuito convierte convenientemente la señal pulsante de intensidad de luz en valores de pulso y saturación de oxígeno (SpO2). Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

El oxímetro puede diferenciar entre la absorción de luz de la hemoglobina y la de otros líquidos y componentes de los tejidos mediante el uso de un sistema pulsátil de dos longitudes de onda. Este sistema se basa en el hecho de que el flujo de sangre arterial pulsa, en tanto que otros fluídos no lo hacen. La pulsación del flujo de sangre arterial modula la luz que pasa a través del mismo. Los otros fluídos no modulan la luz sino que tienen un valor de absorción fijo. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Absorción de la luz por los distintos tejidos Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Aquí se presenta un problema, la sangre y por tanto la SaO2 es pulsátil, por ende, al ser variable esta, no se sabe si la variación de la medida es debido a una variación de la variable misma o debido a la pulsatilidad del flujo sanguíneo. Pulsación de la cantidad de sangre debajo de la sonda, que implica al mismo tiempo una pulsación de la SaO2 Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Es por esta razón que estos sensores contienen en realidad dos emisores a dos longitudes de diferentes y un receptor como de manera que a una de las longitudes de onda la absorción es muy dependiente de la SaO2, y a la otra longitud de onda la absorción teóricamente no varia con la SaO2 pero si con la cantidad de sangre, es decir, varía con el pulso. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

De esta manera se tiene una señal que varía con el pulso y con la SaO2, y una señal que varía solamente con el pulso, o sea, se puede modular la primera con la segunda de manera de obtener un lectura permanente de la SaO2. Se utilizan diodos electroluminosos (LED) en dos longitudes de onda: 660 nm (rojo) y 940 nm (cerca de infrarrojo). Estas longitudes de onda son las adecuadas, pues son valores en los cuales la separación es la más alta entre la hemoglobina y los espectros de absorción de la oxihemoglobina. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Usando circuitos electrónicos, se igualan las señales en las longitudes de onda infrarrojas y rojas y se calcula la relación de transformación de la luz de roja-infrarroja, que se relaciona directamente con el SpO2 mediante el pulso oximétrico. Cada segundo, se realizan aproximadamente 600 medidas individuales y mediante un algoritmo implementado en el interior del microprocesador, se compara con valores obtenidos anteriormente y después se usan fórmulas específicas a cada fabricante. El valor visualizado se obtiene realizando un promedio entre los 3-6 valores anteriores y actualizado cada (0,5 - 1,0) seg. El promedio se utiliza pues tiende a reducir los artefactos y señales erróneas. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Diagrama en bloques funcional Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Diagrama en bloques funcional Explicación de la funcion de cada bloque, en speach, eventualmente rediseño del circuito Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Equipos comerciales Dyne OP 210 Minor Oxim Mindray PM 600 Medix Oxi 3 Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Equipos portátiles Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Distintos tipos de sensores Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Inconvenientes de este diseño El modelo visto hasta aquí, puede considerarse como la primer generación de oxímetros, utilizada masivamente en salas de terapia intensiva, quirófanos o en forma ambulatoria, para el control clínico de pacientes bajo algún tipo de terapia por oxígeno o sometidos a ARM. Puede considerárselo satisfactorio, pero bajo ciertas restricciones importantes. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Inconvenientes de este diseño Debemos mencionar entonces dichas limtaciones, a saber: Cuando el paciente se mueve, se producen alteraciones insalvables de la lectura, dando lugar a errores y falsas alarmas, inadmisibles en una terapia intensiva. El modelo supone que la única sangre pulsante es la arterial, descartando la venosa, introduciendo un importante error Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Inconvenientes de este diseño Los oxímetros son difíciles de calibrar, se calibran mediante voluntarios humanos, hasta un mínimo de SaO2 de 80%, los valores inferiores se extrapolan, aumentando el error. El diseño de dos longitudes de onda en la mayoría de los oxímetros asume solamente dos fracciones absorbentes de la hemoglobina (HbO2 y Hb) que no consideran la presencia de Metahemoglobina (MetHb) y de Carboxihemoglobina (COHb). Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Inconvenientes de este diseño Un problema mayor: el nivel de señal a leer depende de la perfusión en el sitio de lectura. Si la perfusión no es adecuada, debido a vasoconstricción, hipotermia o bajo volúmen cardíaco, la relación señal/ruido se empobrece notoriamente. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Diseños superadores: estado-del-arte de la oximetría Si bien no es nuestro objetivo aquí hacer promoción de ninguna marca comercial, es necesario apuntar que una empresa ha logrado recientemente desarrollar una tecnología que supera los inconvenientes señalados, pudiendo adjudicarse la calidad de nueva generación en oximetría. Sustentada por numerosos estudios clínicos, la tecnología MASIMO SET representa el estado-del-arte en la materia. Incluso podría decirse que actualmente no resulta ético para la profesión médica, utilizar oxímetros de la generación anterior. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Diseños superadores: estado-del-arte de la oximetría En 1989 Diab y Kiani de la corporación Masimo inventaron la Oximetría de Pulso de Extracción de Señal, incluyendo Filtros Adaptivos, Transformación Discreta de la Saturación (Discrete Saturation Transform/DST) y Transformación Rápida de la Saturación (Fast Saturation Transform/FST), que separan la señal arterial del ruido no arterial, (como por ejemplo la sangre venosa durante el movimiento). El resultado fue un oxímetro de pulso que ha sido científica y clínicamente probado para ser exacto durante los movimientos del paciente y la baja perfusión. Hoy en día mas del 70% de los oxímetros construidos en el mundo tiene tecnología Masimo SET. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Diseños superadores: avances técnicos logrados Veremos un breve detalle de cómo es que estos avances han mejorado el modo en que la saturación es leída. Transformación Discreta de la Saturación (Discrete Saturation TransformTM - DST): Esta innovación, es un circuito que calcula un algoritmo de separación, y consecutivamente, calcula la proporción de de densidad óptica que corresponde para la saturación de oxigeno arterial (ra) y un estimado de la saturación de oxigeno venosa (rv). Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Diseños superadores: avances técnicos logrados Estas densidades no son conocidas de antemano pero son requeridas para obtener una señal de referencia apropiada para el cancelador adaptador de ruido (ANC). Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Diseños superadores: avances técnicos logrados La curva típica de funcionamiento de este circuito, en ausencia de movimiento del paciente, es decir cuando su acción no es requerida sería: Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Diseños superadores: avances técnicos logrados Ahora bien, en caso de movimiento, o contemplando la interferencia de la pulsación de sangre venosa, pueden presentarse tres casos típicos. En estos 3 casos se ven las gráficas con diferentes niveles de SpO2 con el paciente en movimiento Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Caso I: en figura A se ve un proceso de cancelación de ruido correspondiente a un valor de densidad óptica para una saturación de oxigeno de 36%. Para un SpO2 de 36%, la señal de referencia calculada es la de color violeta, y es muy similar a la señal fisiológica, la roja. Estas señales se cancelan una con otra en el ANC, proporcionando una señal de salida baja en el DST™. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Caso II: En la figura B, se ve un proceso de cancelación de ruido correspondiente para otro valor de densidad óptica para una saturación de oxigeno de 60%. Tal como parece la señal de referencia roja, tiene una pequeña diferencia con la señal fisiológica rojo claro. Esto proporciona una señal de salida mayor contenida en el DST™, y el ruido no es cancelado como en la figura A. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Caso III: En la figura C, se ve un proceso de cancelación de ruido para otro valor de densidad óptica para una saturación de oxigeno de 95%. Aquí la señal de referencia es realmente el ruido de referencia. En azul se muestra la pequeña diferencia con la señal fisiológica en rojo. Esto proporciona una señal de salida mayor, contenida en el DST™, y una parte de la señal no es cancelada como en la figura A. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Entre los valores de saturación de oxigeno de 60%, 95 % y superiores a 95%, la situación es similar como la figura A. Esto dirá que el resultado de la salida en el DST™ será relativamente pequeño. De aquí, que el resultado plotea 2 picos. Puesto que la saturación de oxigeno arterial es mas grande que la venosa, el pico “rigth-most” se ve en el display del DST™ como saturación arterial de oxigeno. (Pico en rojo), El pico “left-most” en el display del DST™ esta relacionado con la saturación de oxigeno venosa (pico en azul). Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Ventajas de esta tecnología en el uso clínico Gracias a la exactitud lograda mediante estos desarrollos, es posible actualmente efectuar monitoreos y mediciones precisas de la SaO2, tanto en adultos como en niños y bebés. En este último caso, este requerimiento es una condición imprescindible en aquellos bebés nacidos prematuramente, dado el alto riesgo que se presenta, del desarrollo de retinopatías por terapia de oxígeno mal suministrada. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Ventajas de esta tecnología en el uso clínico En efecto, los vasos sanguíneos de la retina empiezan a desarrollarse 3 meses después de la concepción y completan su desarrollo en el momento del nacimiento normal. Cuando un bebé nace muy prematuramente se altera el desarrollo del ojo. Efectivamente, el uso excesivo de oxígeno para tratar a los bebés prematuros estimula el crecimiento anormal de los vasos sanguíneos oculares, pudiendo provocar serios daños, incluso la ceguera. Dado que estos pacientes necesitan esta administración de O2, debido a inconvenientes respiratorios, y se debe lograr una buena saturación, se comprende que el rango seguro de concentraciones de O2 a administrar es muy estrecho. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Ventajas de esta tecnología en el uso clínico Concluimos en que el control de esta oxigeno-terapia solo puede ser exacto mediante oxímetros de gran precisión, si pretendemos mantener la SaO2 por ejemplo entre 93% y 97%, ni más ni menos. Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

Equipos de nueva generación Línea RADICAL de MASIMO SET Los equipos desarrollados según las innovadoras tecnologías vistas, además de su exactitud y precisión poseen una serie de prestaciones de gran utilidad. Línea RADICAL de MASIMO SET Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario

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Bibliografía www.masimo.com A Sola,  L. Chow,   M. Rogido,   Pulse oxymetry in neonatal care in 2005. A comprehensive state of the art review. Anales de Pediatría Oximetría de pulso. Trabajo final original/Cátedra Electromedicina, Alumno Sebastían P. Rubio, revisión Juan Salerno, Edgardo Marino – 2005 Manual del Oxímetro de pulso Biox Ohmeda 3740 Manual del Oxímetro de pulso Biox Ohmeda 3700 Fisiologia Médica, William F. Ganong Cátedra Electromedicina / Departamento Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional / Facultad Regional Rosario