Fotopletismograma

Un fotopletismograma ( PPG ) es un pletismograma obtenido ópticamente que puede utilizarse para detectar cambios en el volumen sanguíneo en el lecho microvascular del tejido. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Un PPG se obtiene a menudo utilizando un oxímetro de pulso que ilumina la piel y mide los cambios en la absorción de luz. ^{[ 3 ]} Un oxímetro de pulso convencional monitoriza la perfusión sanguínea en la dermis y el tejido subcutáneo de la piel.

Con cada ciclo cardíaco, el corazón bombea sangre hacia la periferia. Si bien este pulso de presión se atenúa ligeramente al llegar a la piel, es suficiente para distender las arterias y arteriolas del tejido subcutáneo. Si el oxímetro de pulso se coloca sin comprimir la piel, también se puede observar un pulso de presión proveniente del plexo venoso, como un pequeño pico secundario.

El cambio de volumen causado por el pulso de presión se detecta iluminando la piel con la luz de un diodo emisor de luz (LED) y midiendo la cantidad de luz transmitida o reflejada a un fotodiodo. ^{[ 4 ]} Cada ciclo cardíaco aparece como un pico, como se ve en la figura. Debido a que el flujo sanguíneo a la piel puede ser modulado por múltiples sistemas fisiológicos, el PPG también puede usarse para monitorear la respiración, la hipovolemia y otras condiciones circulatorias. ^{[ 5 ]} Además, la forma de la onda PPG difiere de un sujeto a otro y varía según la ubicación y la forma en que se coloca el oxímetro de pulso.

Aunque los sensores PPG se utilizan comúnmente en varias aplicaciones comerciales (especialmente en dispositivos portátiles como relojes inteligentes y pulseras de actividad ) ^{[ 6 ]} y clínicas, los mecanismos exactos que determinan la forma de la onda PPG aún no se comprenden completamente. ^{[ 7 ]}

Aunque los oxímetros de pulso son dispositivos médicos de uso común , la señal PPG que registran rara vez se muestra y, nominalmente, solo se procesa para determinar la oxigenación sanguínea y la frecuencia cardíaca . ^{[ 2 ]} La señal PPG se puede obtener por absorción transmisiva (como en la punta del dedo) o por reflexión (como en la frente). ^{[ 2 ]}

En entornos ambulatorios, los oxímetros de pulso se suelen llevar en el dedo. Sin embargo, en casos de shock, hipotermia , etc., el flujo sanguíneo a la periferia puede reducirse, lo que da lugar a una fotopletismografía (PPG) sin pulso cardíaco discernible. ^{[ 8 ]} En este caso, se puede obtener una PPG con un oxímetro de pulso en la cabeza, siendo los sitios más comunes la oreja, el tabique nasal y la frente. La PPG también se puede configurar para fotopletismografía multisitio (MPPG), por ejemplo, realizando mediciones simultáneas de los lóbulos de las orejas derecha e izquierda, los dedos índices y los dedos gordos de los pies, y ofreciendo más oportunidades para la evaluación de pacientes con sospecha de enfermedad arterial periférica, disfunción autonómica, disfunción endotelial y rigidez arterial. La MPPG también ofrece un potencial significativo para la minería de datos, por ejemplo, mediante aprendizaje profundo, así como una gama de otras técnicas innovadoras de análisis de la onda de pulso. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

Los artefactos de movimiento suelen ser un factor limitante que impide obtener lecturas precisas durante el ejercicio y en condiciones de vida cotidiana. ^{[ 7 ]}

Debido a la abundante irrigación sanguínea de la piel, resulta relativamente fácil detectar el componente pulsátil del ciclo cardíaco. El componente de corriente continua (CC) de la señal se atribuye a la absorción masiva del tejido cutáneo, mientras que el componente de corriente alterna (CA) se debe directamente a la variación del volumen sanguíneo en la piel causada por el pulso de presión del ciclo cardíaco.

La altura del componente AC del fotopletismograma es proporcional a la presión del pulso, la diferencia entre la presión sistólica y diastólica en las arterias. Como se observa en la figura que muestra contracciones ventriculares prematuras (CVP), el pulso PPG para el ciclo cardíaco con CVP resulta en una presión sanguínea de menor amplitud y un PPG. También se pueden detectar taquicardia ventricular y fibrilación ventricular . ^{[ 13 ]}

La respiración afecta el ciclo cardíaco al variar la presión intrapleural, es decir, la presión entre la pared torácica y los pulmones. Dado que el corazón se encuentra en la cavidad torácica, entre los pulmones, la presión parcial durante la inhalación y la exhalación influye considerablemente en la presión sobre la vena cava y en el llenado de la aurícula derecha.

Durante la inspiración, la presión intrapleural disminuye hasta 4 mm Hg, lo que distiende la aurícula derecha, permitiendo un llenado más rápido desde la vena cava, aumentando la precarga ventricular, pero disminuyendo el volumen sistólico. Por el contrario, durante la espiración, el corazón se comprime, disminuyendo la eficiencia cardíaca y aumentando el volumen sistólico. Cuando aumenta la frecuencia y la profundidad de la respiración, aumenta el retorno venoso, lo que conlleva un aumento del gasto cardíaco. ^{[ 15 ]}

Gran parte de la investigación se ha centrado en estimar la frecuencia respiratoria a partir del fotopletismograma, ^{[ 16 ]} así como en mediciones respiratorias más detalladas como el tiempo inspiratorio. ^{[ 17 ]}

Los anestesiólogos a menudo deben juzgar subjetivamente si un paciente está suficientemente anestesiado para la cirugía. Como se observa en la figura, si un paciente no está suficientemente anestesiado, la respuesta del sistema nervioso simpático a una incisión puede generar una respuesta inmediata en la amplitud del PPG. ^{[ 14 ]}

Shamir, Eidelman y otros estudiaron la interacción entre la inspiración y la extracción del 10 % del volumen sanguíneo de un paciente para su almacenamiento antes de la cirugía. ^{[ 18 ]} Encontraron que la pérdida de sangre podía detectarse tanto mediante el fotopletismograma de un oxímetro de pulso como mediante un catéter arterial. Los pacientes mostraron una disminución en la amplitud del pulso cardíaco causada por una reducción de la precarga cardíaca durante la espiración, cuando el corazón se comprime.

La fotopletismografía (PPG) también permite mediciones no invasivas de la presión arterial, y las señales PPG adquiridas en la muñeca representan una gran oportunidad para los relojes inteligentes y otros dispositivos portátiles. ^{[ 19 ]} Se han investigado varios enfoques, incluyendo el tiempo de tránsito del pulso (PTT), el tiempo de llegada del pulso (PAT), la velocidad de la onda de pulso (PWV) y el análisis de la onda de pulso (PWA). Estos parámetros se correlacionan con la presión arterial y pueden convertirse en valores de PA utilizando algoritmos apropiados. Sin embargo, aplicar estos métodos a dispositivos portátiles de muñeca es un desafío, ya que la mayoría requiere dos dispositivos para medir parámetros a cierta distancia. ^{[ 19 ]} En consecuencia, el PWA se ha convertido en el enfoque más común para la estimación de la presión arterial sin manguito utilizando señales PPG de la muñeca. Esta técnica implica extraer características de la forma de onda PPG y entrenar modelos de aprendizaje automático como regresión lineal, máquinas de vectores de soporte o redes neuronales para estimar la presión arterial. ^{[ 19 ]}

Si bien la fotopletismografía suele requerir algún tipo de contacto con la piel humana (p. ej., oreja, dedo), la fotopletismografía remota permite determinar procesos fisiológicos como el flujo sanguíneo sin contacto con la piel. Esto se logra mediante el uso de video facial para analizar cambios momentáneos sutiles en el color de la piel del sujeto que no son detectables a simple vista. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Esta medición de los niveles de oxígeno en sangre mediante cámara proporciona una alternativa sin contacto a la fotopletismografía convencional. Por ejemplo, se puede utilizar para monitorizar la frecuencia cardíaca de los recién nacidos, ^{[ 22 ]} o analizar con redes neuronales profundas para cuantificar los niveles de estrés . ^{[ 12 ]}

La fotopletismografía remota también puede realizarse mediante holografía digital , que es sensible a la fase de las ondas de luz y, por lo tanto, puede revelar movimiento fuera del plano submicrométrico. En particular, la imagen de campo amplio del movimiento pulsátil inducido por el flujo sanguíneo puede medirse en el pulgar mediante holografía digital . Los resultados son comparables al pulso sanguíneo monitorizado por pletismografía durante un experimento de oclusión-reperfusión. ^{[ 23 ]} Una ventaja importante de este sistema es que no se requiere contacto físico con el área de superficie del tejido estudiado. Las dos limitaciones principales de este enfoque son (i) la configuración interferométrica fuera del eje que reduce el ancho de banda espacial disponible de la matriz de sensores , y (ii) el uso del análisis de transformada de Fourier de tiempo corto (a través de la transformada discreta de Fourier ) que filtra las señales fisiológicas.

El análisis de componentes principales de hologramas digitales ^{[ 24 ]} reconstruidos a partir de interferogramas digitalizados adquiridos a velocidades superiores a ~1000 fotogramas por segundo revela ondas superficiales en la mano. Este método es una forma eficiente de realizar holografía digital a partir de interferogramas en el eje, lo que mitiga tanto la reducción del ancho de banda espacial de la configuración fuera del eje como el filtrado de señales fisiológicas. Un mayor ancho de banda espacial es crucial para un campo de visión de imagen más amplio.

Una mejora de la fotopletismografía holográfica, la imagen Doppler láser holográfica , permite la monitorización no invasiva de la onda de pulso del flujo sanguíneo en los vasos sanguíneos de la retina , la coroides , la conjuntiva y el iris . ^{[ 25 ]} En particular, la holografía Doppler láser del fondo de ojo, la coroides constituye la contribución predominante a la señal Doppler láser de alta frecuencia. Sin embargo, es posible eludir su influencia restando la señal de línea base promediada espacialmente y lograr una alta resolución temporal y capacidad de imagen de campo completo del flujo sanguíneo pulsátil.

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