Un fotopletismograma ( PPG ) es un pletismograma obtenido ópticamente que se puede utilizar para detectar cambios en el volumen sanguíneo en el lecho microvascular del tejido. [1] [2] Un PPG a menudo se obtiene utilizando un oxímetro de pulso que ilumina la piel y mide los cambios en la absorción de luz. [3] Un oxímetro de pulso convencional monitorea la perfusión de sangre a la dermis y al tejido subcutáneo de la piel.
Con cada ciclo cardíaco, el corazón bombea sangre hacia la periferia. Aunque este pulso de presión se amortigua un poco cuando llega a la piel, es suficiente para dilatar las arterias y arteriolas del tejido subcutáneo. Si se coloca el oxímetro de pulso sin comprimir la piel, también se puede ver 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 luego 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 muchos otros sistemas fisiológicos, la PPG también se puede utilizar 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 con la ubicación y la manera en que se coloca el oxímetro de pulso.
Aunque los sensores PPG son de uso común en varias aplicaciones comerciales y clínicas, los mecanismos exactos que determinan la forma de la onda PPG aún no se comprenden completamente. [6]
Si bien 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 de la sangre y la frecuencia cardíaca . [2] La PPG se puede obtener a partir de la absorción transmisiva (como en la punta del dedo) o la reflexión (como en la frente). [2]
En el ámbito ambulatorio, los oxímetros de pulso se usan comúnmente en el dedo. Sin embargo, en casos de shock, hipotermia , etc., el flujo sanguíneo a la periferia puede reducirse, lo que resulta en una PPG sin un pulso cardíaco discernible. [7] En este caso, se puede obtener una PPG a partir de 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, haciendo mediciones simultáneas de los lóbulos de la oreja derecha e izquierda, los dedos índice y los dedos gordos del pie, 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, utilizando el aprendizaje profundo, así como una variedad de otras técnicas innovadoras de análisis de ondas de pulso. [8] [9] [10] [11]
Los artefactos de movimiento suelen ser un factor limitante que impide realizar lecturas precisas durante el ejercicio y las condiciones de vida libre. [6]
Debido a que la piel está tan ricamente perfundida, es relativamente fácil detectar el componente pulsátil del ciclo cardíaco. El componente de corriente continua de la señal se atribuye a la absorción en masa del tejido cutáneo, mientras que el componente de corriente alterna se atribuye directamente a la variación del volumen sanguíneo en la piel causada por el pulso de presión del ciclo cardíaco.
La altura del componente CA del fotopletismograma es proporcional a la presión del pulso, la diferencia entre la presión sistólica y diastólica en las arterias. Como se ve en la figura que muestra las contracciones ventriculares prematuras (CVP), el pulso PPG para el ciclo cardíaco con las CVP da como resultado una presión arterial de menor amplitud y una PPG. También se pueden detectar taquicardia ventricular y fibrilación ventricular . [12]
La respiración afecta el ciclo cardíaco al variar la presión intrapleural, la presión entre la pared torácica y los pulmones. Como el corazón se encuentra en la cavidad torácica, entre los pulmones, la presión parcial de la inhalación y la exhalación influyen en gran medida en la presión sobre la vena cava y el llenado de la aurícula derecha.
Durante la inspiración, la presión intrapleural disminuye hasta 4 mmHg, lo que distiende la aurícula derecha, lo que permite un llenado más rápido desde la vena cava, lo que aumenta la precarga ventricular, pero disminuye el volumen sistólico. Por el contrario, durante la espiración, el corazón se comprime, lo que disminuye la eficiencia cardíaca y aumenta el volumen sistólico. Cuando aumenta la frecuencia y la profundidad de la respiración, aumenta el retorno venoso, lo que conduce a un aumento del gasto cardíaco. [14]
Mucha investigación se ha centrado en estimar la frecuencia respiratoria a partir del fotopletismograma, [15] así como en mediciones respiratorias más detalladas como el tiempo inspiratorio. [16]
Los anestesiólogos a menudo deben juzgar subjetivamente si un paciente está lo suficientemente anestesiado para la cirugía. Como se ve en la figura, si un paciente no está lo suficientemente anestesiado, la respuesta del sistema nervioso simpático a una incisión puede generar una respuesta inmediata en la amplitud del PPG. [13]
Shamir, Eidelman y col. estudiaron la interacción entre la inspiración y la extracción del 10 % del volumen sanguíneo de un paciente para su almacenamiento en un banco de sangre antes de la cirugía. [17] Encontraron que la pérdida de sangre podía detectarse tanto a partir del fotopletismograma de un oxímetro de pulso como de un catéter arterial. Los pacientes mostraron una disminución en la amplitud del pulso cardíaco causada por la reducción de la precarga cardíaca durante la exhalación cuando el corazón está siendo comprimido.
Según se informa, la FDA otorgó autorización a un monitor de presión arterial sin manguito basado en fotopletismografía en agosto de 2019. [18]
Si bien la fotopletismografía generalmente requiere algún tipo de contacto con la piel humana (por ejemplo, la oreja o el dedo), la fotopletismografía remota permite determinar procesos fisiológicos como el flujo sanguíneo sin contacto con la piel. Esto se logra utilizando un video del rostro para analizar cambios momentáneos sutiles en el color de la piel del sujeto que no son detectables para el ojo humano. [19] [20] Esta medición basada en cámara de los niveles de oxígeno en sangre proporciona una alternativa sin contacto a la fotopletismografía convencional. Por ejemplo, se puede utilizar para monitorear la frecuencia cardíaca de los recién nacidos, [21] o analizarse con redes neuronales profundas para cuantificar los niveles de estrés. [11]
La fotopletismografía remota también se puede realizar mediante holografía digital , que es sensible a la fase de las ondas de luz y, por lo tanto, puede revelar un movimiento fuera del plano submicrónico. En particular, la obtención de imágenes de campo amplio del movimiento pulsátil inducido por el flujo sanguíneo se puede medir en el pulgar mediante holografía digital . Los resultados son comparables al pulso sanguíneo monitoreado por pletismografía durante un experimento de oclusión-reperfusión. [22] 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 del conjunto de sensores , y (ii) el uso del análisis de transformada de Fourier de tiempo corto (a través de la transformada de Fourier discreta ) que filtra las señales fisiológicas.
El análisis de componentes principales de hologramas digitales [23] reconstruidos a partir de interferogramas digitalizados adquiridos a velocidades superiores a ~1000 cuadros 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 alivia 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 grande.
Un refinamiento de la fotopletismografía holográfica, la obtención de imágenes láser Doppler holográficas , permite la monitorización no invasiva de las ondas de pulso del flujo sanguíneo en los vasos sanguíneos de la retina , la coroides , la conjuntiva y el iris . [24] En particular, la holografía láser Doppler del fondo del ojo, la coroides, constituye la contribución predominante a la señal láser Doppler de alta frecuencia. Sin embargo, es posible eludir su influencia restando la señal de referencia promediada espacialmente y lograr una alta resolución temporal y una capacidad de obtención de imágenes de campo completo del flujo sanguíneo pulsátil.