Electromedicina e Instrumentación Biomédica

1. Electromedicina e Instrumentación Biomédica Unidad 6 Presión Sanguínea y Sonido

2. Contenido y Objetivos 6.1 Definiciones 6.2 Medición de la Tensión arterial. 6.3 Fonocardiografía 6.4 Ultrasonido Explicar las características principales de los sonidos y las tensiones que se relacionan con el cuerpo humano.

3. Contenido y Objetivos • Fundamento de la Física de la Presión y Fluídica. • Manometría. • Presión. Métodos de Medición No invasiva : • Auscultatorio, • Ultrasónico, • Palpatorio y • Oscilométrico. • Presión. Métodos de Medición Invasiva. • Pletismografía: • Óptica • De Impedancia; y • Piezoeléctrica. Caracterizar y explicar los principales métodos que se emplean para la medición de la presión y flujo sanguíneo en el Sistema Circulatorio de los seres humanos.

4. Fluido • Sistema (líquido ó gas) que no soporta esfuerzos tangenciales ó cortantes, es decir, es infinitamente deformable. • Los fluidos son sistemas que están en continuo movimiento. • Dos propiedades importantes de todo fluido son su Densidad y Viscosidad.

5. Densidad de los Fluidos • Densidad (): Corresponde a la masa por unidad de volumen. Depende del inverso de la temperatura y de la presión.  = lim (V 3)  m /  V donde  m es la masa de fluido contenida en un pequeño volumen  V y 3 es un valor grande comparado con la distancia media entre moléculas. Algunos valores de interés de la Densidad, en kg / m3 son: Líquidos Gases Agua 1,000 Aire 1,293 Mercurio 13,600 Dióxido de carbono 1,980 Orina 1,015 a 1,025 Hidrógeno 0,089 Sangre 1,050 Oxígeno 1,429 Líquido cefalorraquídeo 1,006

6. Viscosidad de los Fluidos • Viscosidad(): Caracteriza la resistencia que el fluido ofrece a los esfuerzos cortantes:  =  dv / dh donde  es la fuerza por unidad de superficie del fluido. Establece que para una tasa de deformación angular del fluido, el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la viscosidad. Viscosidad de algunos fluidos a 20ºC expresada en N s m-2: Agua 1,0005 x 10-3 Aire 1,81 x 10 –5 Sangre 3,015 x 10-3 Plasma sanguíneo1,810 x 10-3 Aceite 0,986

7. Newtonianos: Si la viscosidad depende únicamente del fluido, pero no de su movimiento. Ejemplo: agua No Newtonianos: Si la relación entre magnitud del esfuerzo tangencial y la tasa de deformación angular es No lineal. Ejemplo: sangre Clasificación de los Fluidos

8. Si la estructura del flujo del fluido es en láminas o capas de fluido se denomina FLUJO LAMINAR y se presenta en flujos de fluidos viscosos que se dan generalmente a velocidades pequeñas. Si la velocidad del fluido aumenta, la viscosidad hace que el flujo deje de discurrir en láminas, las trayectorias de las partículas del fluido son entonces mas complicadas y la descripción del fluido mas difícil. Estamos entonces ante el denominado FLUJO TURBULENTO, donde, como característica genérica, se disipa mucha mas energía mecánica que en el flujo laminar. Generalmente la sangre se comporta como un Flujo Laminar. Flujo Laminar y Turbulento

9. Presión Mecánicamente, la presión se define como la fuerza que actúa perpendicularmente por unidad de superficie: P = Fuerza / Superficie Su unidad en el Sistema Internacional (SI mks) es el Pascal: Pascal = Newton / m2 (1 Pa = 1 N / m2) Otras unidades comunes son: dinas por centímetro cuadrado (cgs), atmósferas, barios y milímetros de mercurio (mmHg) ó Torr. La siguiente tabla muestra los factores de conversión entre ellas:

10. Presiones hidroestática e hidrodinámica • La presión puede incrementarse por: • la aplicación de una fuerza ó • porque decrece el área sobre la cuál actúa la fuerza. • Cuando la fuerza en un sistema bajo presión es constante ó estática (no varía), se dice que la presión es hidrostática. • Si la fuerza está variando en el tiempo, se dice que la presión es hidrodinámica. La mayoría de las presiones que se estudian en la fisiología humana son de esta última clase. Ejemplo: el flujo pulsado de sangre arterial.

11. Principio de Pascal “En un sistema cerrado, toda presión ejercida sobre un punto de la masa líquida se transmite con igual intensidad en toda dirección y sentido”. • Este enunciado es de fundamental importancia para entender el funcionamiento del aparato circulatorio. • Es válido en sistemas hidroestáticos y también en cuasiestáticos, en los cuales se toma en cuenta la turbulencia. También es aproximadamente válido en sistemas hidrodinámicos en los que el flujo no sea turbulento.

12. Presión arterial Es la presión que ejerce la sangre durante su fluir sobre los vasos sanguíneos. Esta presión se transmite sobre la pared lateral de la arteria como resultante de la actividad cardiaca.

13. Mediciones de la Presión Sanguínea La medición de la Presión Arterial representa una de las mas importantes y frecuentes mediciones que se realizan para evaluación del sistema circulatorio. Se utiliza en condiciones como: • Exámenes de rutina a pacientes • Condiciones preoperatorias • Monitoreo de pacientes seriamente enfermos • Evaluación del impacto de cargas psíquicas (stress)

14. El árbol vascular Variaciones de la presión a lo largo del árbol circulatorio

15. Valores típicos de Presión en las cámaras, arterias y venas del corazón

16. Presión aórtica, y relación entre eventos eléctricos registrados por el ECG y eventos mecánicos: apertura y cierre de válvulas identificados por los sonidos cardíacos.

17. Manometría • Medición de presión ya sea intracavitaria ó por métodos no invasivos. • Se emplea un Manómetro, dispositivo que mide la diferencia de presión con respecto a una presión dada, comúnmente la atmosférica. • La presión manométrica media de la especie humana es de 100 mmHg por encima de la atmosférica. • El Manómetro se fundamenta en que la presión en los puntos 2 y 3 es la misma, y la del punto 1 es exterior: la presión atmosférica. p2 = p1 +  * g * h donde  es la densidad del fluido. La medida de la variación de la altura h de la columna de fluido determina la presión. El fluido comúnmente utilizado es el mercurio (Hg), cuya densidad es de 13,600 Kg / m3, y la altura se mide en milímetros.

18. VENTAJAS Fáciles de aplicar Su medición es razonablemente exacta No es traumática Permiten lecturas frecuentes Métodos No Invasivos de medición • Auscultatorio • Ultrasónico • Palpatorio • Oscilométrico • DESVENTAJAS • No permiten lecturas continuas • Una frecuencia elevada de lecturas genera molestias en los pacientes • No se puede insertar un cateter intravenoso en ese brazo del paciente

19. Esfimomanómetro Es el instrumento comúnmente empleado para medición no invasiva de la presión. Consta de: • una bolsa inflable de goma • una bomba en forma de pelota que suministra la presión al aire en el interior de la bolsa inflable, • una válvula para permitir o bloquear el bombeo de aire a la bolsa y • un manómetro

20. Auscultatorio Por medio del balón inflable se ocluye el flujo a una presión mas elevada que la arterial y se sitúa un detector de sonido en la unión del brazo y antebrazo, lo que desencadena una secuencia de eventos que permiten identificar la presión sistólica y la diastólica. Los sonidos que permiten detectar el flujo de sangre a través de los vasos se conocen como Sonidos de Korotkov y, aunque no se tiene una explicación clara sobre su origen, se producen cuando se altera la circulación por oclusión ó apertura, por lo que se supone que se deben a cambios en la turbulencia del fluido.

21. Ultrasónico Basado en un principio similar al auscultatorio: • Una bolsa inflable realiza la compresión. • Los equipos utilizan transductores que envían una señal ultrasónica (8 MHz) y reciben de respuesta una señal (8 MHz ±D ƒ) que finalmente se transforma en audio frecuencia, la cuál muestra la reacción a los movimientos de la pared de la arteria como un desplazamiento de la frecuencia (D ƒ) de acuerdo al principio del efecto Doppler. Esto indica la aparición de los límites de la presión.

22. Palpatorio • Se produce la oclusión por medio de una bolsa inflable, y utilizando dos dedos ó un transductor, se detecta el pulso en la arteria distal. Se infla la bolsa hasta una presión en la cual no se detecte el pulso, y se decrece hasta que el pulso reaparece. Esta será la presión sistólica palpatoria. • Esta medición tiene el inconveniente de no detectar con exactitud el valor de la presión diastólica. • Se utiliza en equipos que monitorean la presión sistólica.

23. Oscilométrico 1 200 160 2 Se miden los cambios de la amplitud de la presión una vez que la bolsa inflable del brazalete oclusor se ha desinflado y tiene una presión por debajo de la diastólica. La amplitud de la onda de la presión crece grandemente cuando el pulso supera el valor de la oclusión. Este valor es muy cercano a la presión sistólica (1). La presión media se obtiene cuando las oscilaciones de presión en la bolsa alcanzan su máximo (2). 120 Presión en la bolsa mm Hg 80 40 0 Oscilaciones de presión en la bolsa

24. Gráficas tiempo vs Presión Arterial Ultrasónico Auscultatorio Palpatorio Oscilométrico

25. VENTAJAS Permiten la observación contínua de la presión Se visualiza la forma de onda exacta Alcanzan mayor exactitud de la medición Pueden obtenerse simultáneamente muestras de sangre sobre la línea arterial DESVENTAJAS Técnicamente mas difícil de realizar: inserción del cateter, burbujas de aire, trombos, etc. Potencialmente peligrosa e Incómoda para el paciente Los cateteres e intubadores son costosos Métodos Invasivos • Manometría electrónica • Infusión constante de fluido • Sistema Extravascular

26. Manometría electrónica Se conecta un transductor de presión a través de un cateter que se introduce en una arteria periférica del paciente mediante una cánula. El diafragma del transductor de presión se acopla al torrente sanguíneo del paciente rellenado con una columna de solución sanguínea. Hay dos métodos para insertar el cateter: • Percutaneo: Se coloca mediante una aguja desde la piel • Corte de arteria: procedimiento quirúrgico que situa al cateter dentro de la arteria.

27. Aparato y sensor típico Monitoreo arterial Sensor intravascular de fibra óptica El terminal de tres partes (three-way stopcock) conecta al cateter desde el paciente con la jeringuilla utilizada para medicarle y permite además recolectar muestras de sangre simultáneamente. Curva característica

28. Sistema para Infusión constante de fluido (CFIS) • Se utiliza en las Unidades de Cuidados Intensivos (UCI), donde se quiere evitar el riesgo de que la coagulación sanguínea del paciente obstruya el cateter. • CFIS contiene una válvula que administra una solución heparinizada a una baja razón de flujo.

29. Sistema Extravascular Solución de flujo salino bajo presión Puerta para Sensado Destilador o cuenta gotas Muestra y transductor Conección eléctrica Transductor de presión desechable con equipo para administrar flujo

30. Medición del Gasto Cardíaco (CO) Se define como: CO = V * R y se expresa en litros por minuto; donde V es el volumen latido en litros por latido y R es la frecuencia cardíaca, en latidos por minuto Algunos métodos para su medición

31. Algunos métodos para medir elGasto Cardíaco

32. Métodos de Dilución • de Fick: El indicador es el oxígeno, O2. Se mide el consumo mediante un espirómetro en la respiración normal. • por Contraste (Steward-Hamilton): Se inyecta contraste en la arteria pulmonar y se toman muestras de una arteria para medir la concentración del contraste • por Termodilución: se inyecta una solución salina fria en la aurícula derecha y se mide la temperatura en la arteria pulmonar. Caida exponencial en el tiempo del gradiente de concentración.

33. Pletismografía • Consiste en determinar el flujo sanguíneo en una extremidad mediante la medición de los cambios de volumen en la misma. • Produce una forma de onda similar a la de la presión arterial, que es útil para medir velocidad de los pulsos e indicar obstrucciones en las arterias. • Existen tres técnicas básicas: • Óptica ó fotopletismografía • De Impedancia • Piezoeléctrica

34. Pletismografía óptica • Se realiza con una fotocelda y una fuente de luz. • La fuente de luz (LED) ilumina la piel. • El pulso arterial modula la intensidad de luz que pasa a través de la sangre. • Los cambios en la resistencia PC1 se generan por las variaciones del volumen del flujo, manifestados como cambios en la densidad óptica de la sangre. • Se producen variaciones en el voltaje que se detecta a la salida EO

35. En este fotopletismógrafo, la luz emitida por el LED se altera por la absorción del tejido para modular el fototransistor. El nivel de corriente directa dc se bloquea por el capacitor, y el conmutador S repone el trazo.Un amplificador operacional conectado como No inversor puede manejar cargas de baja impedancia y permitir ganancias de 100.

36. Pletismografíade impedancia (a) A cylindrical limb has length L and cross-sectional area A. With each pressure pulse, A increases by the shaded area DA. (b) This causes impedance of the blood, Zb, to be added in parallel to Z. (c) Usually DZ is measured instead of Zb.

37. two-electrode impedance plethysmography switches are in the position shown, resulting in a high current density (solid lines) under voltage-sensing electrodes. In four-electrode impedance plethysmography, switches are thrown to the other position, resulting in a more uniform current density (dashed lines) under voltage-sensing electrodes.

38. four-electrode impedance plethysmography Z1 current is injected through two outer electrodes, and voltage is sensed between two inner electrodes. Amplification and demodulation yield Z + DZ. Normally, a balancing voltage ub is applied to produce the desired DZ. In the automatic-reset system, when saturation of uo occurs, the comparator commands the sample and hold to sample Z + DZ and hold it as ub. This resets the input to the final amplifier and uo zero. Further changes in DZ cause change in ub without saturation. Z2 =Z + DZ DZ i =DZ Zi KDZ Amp uo Amp Demod. Zv + - Z ub= Z Comparator KDZ > +10 V or KDZ < -10 V? Z3 Sample and hold Z4 0.1 s one shot Sample

39. Pletismografía impedancial por oclusión

40. In chamber plethysmography

41. After venous-occlusion cuff pressure is turned on, the initial volume-versus-time slope is caused by arterial inflow. After the cuff is released, segment volume rapidly returns to normal (A). If a venous thrombosis blocks the vein, return to normal is slower (B).

42. Electromagnetic flowmeter When blood flows in the vessel with velocity u and passes through the magnetic field B, the induced emf e is measured at the electrodes shown. When an ac magnetic field is used, any flux lines cutting the shaded loop induce an undesired transformer voltage.

43. quadrature-suppression flowmeter

44. Ultrasonic transducer configurations Near and far fields for various transducer diameters and frequencies

45. Pletismografía piezoeléctrica Doppler ultrasonic blood flowmeter. In the simplest instrument, ultrasound is beamed through the vessel walls, back-scattered by the red blood cells, and received by a piezoelectric crystal.

46. Directional Doppler block diagram