La miografía de impedancia eléctrica , o EIM , es una técnica no invasiva para la evaluación de la salud muscular que se basa en la medición de las características de impedancia eléctrica de músculos individuales o grupos de músculos. La técnica se ha utilizado con el fin de evaluar enfermedades neuromusculares tanto para su diagnóstico como para su evaluación continua de su progresión o con intervención terapéutica. La composición muscular y la estructura microscópica cambian con la enfermedad, y EIM mide las alteraciones en la impedancia que ocurren como resultado de la patología de la enfermedad. [1] [2] EIM ha sido reconocido específicamente por su potencial como biomarcador de ELA (también conocido como correlato biológico o criterio de valoración sustituto) por Prize4Life, una organización sin fines de lucro 501(c)(3) dedicada a acelerar el descubrimiento de tratamientos y curas para la ELA. El desafío de biomarcadores de ELA de 1 millón de dólares se centró en identificar un biomarcador lo suficientemente preciso y confiable como para reducir a la mitad los ensayos de fármacos de fase II. [3] El premio fue otorgado al Dr. Seward Rutkove, jefe de la División de Enfermedades Neuromusculares del Departamento de Neurología del Centro Médico Beth Israel Deaconess y profesor de Neurología de la Facultad de Medicina de Harvard, por su trabajo en el desarrollo de la técnica de EIM y su aplicación específica a la ELA. Se espera que la EIM como biomarcador dé como resultado una identificación más rápida y eficiente de nuevos tratamientos para la ELA. EIM ha demostrado sensibilidad al estado de la enfermedad en una variedad de condiciones neuromusculares, incluyendo radiculopatía , [4] miopatía inflamatoria , [5] distrofia muscular de Duchenne , [6] y atrofia muscular espinal . [7]
Además de la evaluación de la enfermedad neuromuscular, la EIM también tiene la posibilidad de servir como una medida conveniente y sensible de la condición muscular. El trabajo en poblaciones que envejecen [8] e individuos con lesiones ortopédicas [9] indica que la EIM es muy sensible a la atrofia y el desuso muscular y, a la inversa, probablemente sea sensible al acondicionamiento y la hipertrofia muscular. [10] El trabajo con modelos de ratones y ratas, incluido un estudio de ratones a bordo de la misión final del transbordador espacial ( STS-135 ), [11] ha ayudado a confirmar este valor potencial.
El interés por la impedancia eléctrica se remonta a principios del siglo XX, cuando el fisiólogo Louis Lapicque postuló un circuito elemental para modelar las membranas de las células nerviosas. Los científicos experimentaron con variaciones de este modelo hasta 1940, cuando Kenneth Cole desarrolló un modelo de circuito que tenía en cuenta las propiedades de impedancia tanto de las membranas celulares como del líquido intracelular. [12]
Como todos los métodos basados en impedancia, EIM se basa en un modelo simplificado de tejido muscular como un circuito RC . Este modelo atribuye el componente resistivo del circuito a la resistencia de los fluidos extracelulares e intracelulares, y el componente reactivo a los efectos capacitivos de las membranas celulares. [13] La integridad de las membranas celulares individuales tiene un efecto significativo sobre la impedancia del tejido; por lo tanto, la impedancia de un músculo se puede utilizar para medir la degradación del tejido en la progresión de la enfermedad. En la enfermedad neuromuscular, una variedad de factores pueden influir en los aspectos compositivos y microestructurales del músculo, entre los que destacan la atrofia y desorganización de las fibras musculares, el depósito de grasa y tejido conectivo, como ocurre en la distrofia muscular, y la presencia de inflamación, entre muchos otros. otras patologías. EIM captura estos cambios en el tejido en su conjunto midiendo sus características de impedancia en múltiples frecuencias y en múltiples ángulos en relación con la dirección de la fibra muscular principal. [2]
En EIM, la impedancia se separa en resistencia y reactancia , sus componentes reales e imaginarios. A partir de esto, se puede calcular la fase del músculo, que representa el cambio de tiempo que sufre una sinusoide al pasar a través del músculo. [13] Para una resistencia (R) y una reactancia (X) dadas, se puede calcular la fase (θ). En el trabajo actual, los tres parámetros parecen desempeñar papeles importantes dependiendo exactamente de qué enfermedades se estudian y cómo se aplica la tecnología. [1]
La EIM también puede verse afectada por el grosor de la piel y la grasa subcutánea que recubre una región del músculo. [14] Sin embargo, se pueden crear diseños de electrodos que puedan evitar el efecto en gran medida y, por lo tanto, seguir proporcionando datos musculares primarios. [15] Además, el uso de mediciones multifrecuencia también puede ayudar con este proceso de separar los efectos de la grasa de los del músculo. [16] A partir de esta información, también es posible inferir/calcular la cantidad aproximada de grasa que recubre un músculo en una región determinada.
Tanto la resistencia como la reactancia dependen de la frecuencia de entrada de la señal. Debido a que los cambios en la frecuencia cambian las contribuciones relativas de la resistencia (líquido) y la reactancia (membrana) a la impedancia, la EIM multifrecuencia puede permitir una evaluación más completa de la enfermedad. [17] La resistencia, la reactancia o la fase se pueden representar gráficamente en función de la frecuencia para demostrar las diferencias en la dependencia de la frecuencia entre los grupos sanos y enfermos. El músculo enfermo exhibe un aumento en la reactancia y la fase con el aumento de la frecuencia, mientras que los valores de la reactancia y la fase del músculo sano aumentan con la frecuencia hasta 50-100 kHz, momento en el cual comienzan a disminuir en función de la frecuencia. [18] Se utilizan frecuencias que van desde 500 Hz a 2 MHz para determinar el espectro de frecuencias de un músculo determinado.
La impedancia eléctrica del tejido muscular es anisotrópica ; la corriente que fluye paralela a las fibras musculares fluye de manera diferente a la corriente que fluye ortogonalmente a través de las fibras. [19] La corriente que fluye ortogonalmente a través de un músculo encuentra más membranas celulares, aumentando así los valores de resistencia, reactancia y fase. Al tomar medidas en diferentes ángulos con respecto a las fibras musculares, la EIM se puede utilizar para determinar la anisotropía de un músculo determinado. La anisotropía tiende a mostrarse como un gráfico que representa la resistencia, la reactancia o la fase en función del ángulo con respecto a la dirección de las fibras musculares o como una relación entre la medida transversal (perpendicular a las fibras) y la medida longitudinal (paralela a las fibras musculares). de un factor de impedancia dado. [20]
La anisotropía muscular también cambia con la enfermedad neuromuscular. EIM ha demostrado una diferencia entre los perfiles de anisotropía de pacientes con enfermedades neuromusculares y controles sanos. Además, EIM puede utilizar la anisotropía para discriminar entre enfermedades miopáticas y neurogénicas. [2] Las diferentes formas de enfermedad neuromuscular tienen anisotropías únicas. La enfermedad miopática se caracteriza por una disminución de la anisotropía. La enfermedad neurogénica produce una anisotropía menos predecible. El ángulo de la fase más baja puede desplazarse desde la posición paralela y la anisotropía en su conjunto suele ser mayor que la de un control sano.
En general, para aplicar la técnica se colocan un mínimo de cuatro electrodos de superficie sobre el músculo de interés. Se aplica una corriente alterna diminuta a través de los dos electrodos exteriores y los electrodos interiores registran las señales de voltaje. La frecuencia de la corriente aplicada y la relación de la matriz de electrodos con la dirección de la fibra muscular principal se varían de modo que se pueda lograr una evaluación multifrecuencia y multidireccional completa del músculo. [5]
La EIM se ha realizado con varios dispositivos de análisis de impedancia diferentes. Los sistemas disponibles comercialmente que se utilizan para el análisis de bioimpedancia se pueden calibrar para medir la impedancia de músculos individuales. También se puede construir a medida un analizador de impedancia adecuado utilizando un amplificador lock-in para producir la señal y una sonda de baja capacitancia, como la Tektronix P6243, para registrar los voltajes de los electrodos de superficie. [2]
Sin embargo, estos métodos son lentos y difíciles de aplicar dada la necesidad de colocar cuidadosamente los electrodos sobre un músculo de interés y la posibilidad de desalineación de los electrodos e inexactitud. En consecuencia, se construyó un sistema portátil inicial utilizando múltiples componentes con un cabezal de electrodo que podría colocarse directamente sobre el paciente. [21] El dispositivo presentaba una serie de placas de electrodos, que podían activarse selectivamente para realizar mediciones de impedancia en orientaciones arbitrarias. [22] Los osciloscopios fueron programados para producir una señal sinusoide compuesta, que podría usarse para medir la impedancia en múltiples frecuencias simultáneamente mediante una transformada rápida de Fourier.
Desde que se creó ese sistema inicial, se están desarrollando otros sistemas comerciales portátiles, como Skulpt, para su uso tanto en la evaluación de enfermedades neuromusculares [23] como para el seguimiento del estado físico, incluido el cálculo de un valor de calidad muscular (o MQ). [24] Este último valor tiene como objetivo proporcionar una evaluación aproximada de la capacidad relativa de generación de fuerza del músculo para un área transversal determinada de tejido. La calidad muscular, por ejemplo, es una medida utilizada en la evaluación de la sarcopenia .
El análisis de impedancia bioeléctrica (BIA) estándar , como el EIM, también emplea una corriente eléctrica débil de alta frecuencia para medir las características del cuerpo humano. En el BIA estándar, a diferencia del EIM, la corriente eléctrica pasa entre electrodos colocados en las manos y los pies y se miden las características de impedancia de todo el recorrido de la corriente. Por tanto, las características de impedancia medidas son relativamente inespecíficas ya que abarcan gran parte del cuerpo incluyendo toda la longitud de las extremidades, el pecho, el abdomen y la pelvis; en consecuencia, sólo se pueden ofrecer medidas resumidas de masa corporal magra y porcentaje de grasa de todo el cuerpo. Además, en BIA, la corriente recorre el camino de menor resistencia y, por lo tanto, cualquier factor que altere el camino de la corriente provocará variabilidad en los datos. Por ejemplo, la expansión de vasos grandes (p. ej., venas) con una hidratación creciente ofrecerá un camino de baja resistencia y, por lo tanto, distorsionará los datos resultantes. Además, los cambios en el contenido abdominal alterarán de manera similar los datos. La posición del cuerpo también puede tener efectos sustanciales, y la posición de las articulaciones contribuye a las variaciones en los datos. EIM, por el contrario, mide sólo los aspectos superficiales de los músculos individuales y relativamente no se ve afectado por la posición del cuerpo o las extremidades o el estado de hidratación. [25] Las diferencias entre EIM y BIA estándar se ejemplificaron en un estudio sobre esclerosis lateral amiotrófica (ELA) que demostró que EIM fue capaz de rastrear efectivamente la progresión en 60 pacientes con ELA, mientras que BIA no. [26]
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