Cómo monitorear la respiración por medio de la bioimpedancia

Conozcamos los detalles de esta técnica muy utilizada en el entorno clínico

En este artículo vamos a abordar el tema de la monitorización de la frecuencia respiratoria a través de una técnica llamada Neumografía por Impedancia. Estos dispositivos son utilizados ampliamente en los hospitales, dentro de las unidades de cuidados intensivos o en los cuartos de hospitalización, así como en cirugía. Generalmente están incluidos en los monitores de signos vitales, y de hecho usan los mismos electrodos que se usan para capturar la electrocardiografía. Sin embargo, también podemos encontrarlos como dispositivos aparte, para ser usados en contextos del hogar, especialmente en bebes recién nacidos, adultos mayores, o personas que se encuentran postradas en cama. Gracias a ellos, podemos detectar cuando estos usuarios estén respirando de manera anormal, o su respiración se haya detenido, y tomar medidas para protegerlos. Entremos ahora sí en el tema.

La respiración

Empezaremos por aclarar que, aunque para efectos de este post y de la vida diaria, los términos “ventilación” y “respiración” se usan como sinónimos, en realidad no son lo mismo. La ventilación se refiere al proceso físico de entrada y salida de aire de los pulmones, mientras que la respiración es el intercambio gaseoso que ocurre entre el aire y la sangre. Sin embargo, por practicidad, a los dos los llamamos respiración, y no nos complicamos la vida (que la RAE y la Asociación de Neumólogos no nos están vigilando). Existen dos tipos principales de movimientos respiratorios: en la respiración torácica, los músculos intercostales se contraen y el diafragma se desplaza hacia abajo, expandiendo la caja torácica y permitiendo la entrada de aire, en la respiración abdominal, el diafragma se contrae y empuja las vísceras abdominales hacia abajo, lo que a su vez aumenta el espacio en la cavidad torácica y facilita la entrada de aire.

La frecuencia respiratoria es el número de inspiraciones-espiraciones que una persona toma por minuto. Los rangos normales de frecuencia respiratoria varían según la edad:

• Recién nacidos: 20 a 40 respiraciones por minuto
• Niños de 1 a 5 años: 20 a 30 respiraciones por minuto
• Niños de 6 a 12 años: 18 a 25respiraciones por minuto
• Adultos: 12 a 18 respiraciones por minuto
• Adultos mayores: 12 a 28 respiraciones por minuto

La neumografía por impedancia

Esta es una técnica no invasiva que permite monitorizar la respiración mediante la medición de la impedancia eléctrica del tórax. Se basa en el principio de que la impedancia de la caja torácica cambia a medida que se inhala y exhala. Existen dos modos de conexión de la neumografía de impedancia: bipolar y tetrapolar. En el modo bipolar se utilizan dos electrodos que se colocan en el tórax. A través de ellos se inyecta una corriente de alta frecuencia y con ellos mismos se mide el voltaje resultante. En la conexión tetrapolar se utilizan cuatro electrodos. Dos electrodos inyectan una corriente de alta frecuencia y los otros dos electrodos miden el voltaje resultante. La corriente inyectada debe estar a alta frecuencia (por lo general, entre 25 kHz y 100 kHz).

Esta técnica es posible gracias al fenómeno de la bioimpedancia. Esta se define como la oposición que presenta un tejido vivo al paso de una corriente eléctrica. La impedancia se mide en ohmios (Ω) y se expresa como una magnitud compleja que tiene dos componentes: resistencia (R) y reactancia (X). Es importante en la neumografía de impedancia utilizar frecuencias superiores a 25 kHz para evitar el riesgo de choque eléctrico. La razón de esto es que la impedancia del cuerpo humano disminuye a medida que aumenta la frecuencia. A bajas frecuencias, la corriente eléctrica puede causar daño al pasar por el cuerpo, generando lo que se conoce como “macrochoque”, al generar contracciones indeseadas del corazón. La corriente tolerable aumenta a medida que aumenta la frecuencia. Esto significa que se puede utilizar una corriente más alta sin causar daño a los tejidos a una frecuencia más alta que a una frecuencia más baja. La bioimpedancia tiene diversas aplicaciones. En primer lugar, permite un análisis detallado de la composición corporal, ofreciendo mediciones precisas de grasa, músculo y agua en el cuerpo. Además, su uso se extiende al ámbito diagnóstico, siendo útil para identificar condiciones como deshidratación, obesidad y sarcopenia.

La neumografía de impedancia ofrece una serie de ventajas. Primero, es una técnica no invasiva, lo que la hace cómoda y segura. Su facilidad de uso y la no necesidad de personal altamente calificado para operarla la convierten en una herramienta accesible en diversos entornos clínicos. Además, su relativa economía y portabilidad la hacen aún más atractiva para su implementación. Respecto a sus aplicaciones, la neumografía de impedancia se destaca en la monitorización de la respiración, permitiendo evaluar la frecuencia, profundidad y patrón respiratorio. Asimismo, su utilidad diagnóstica se extiende al diagnóstico de enfermedades respiratorias como la apnea del sueño.

El equipo de neumografía de impedancia

El proceso comienza con el oscilador, que genera una señal de corriente alterna (CA) de alta frecuencia (por lo general, entre 25 kHz y 100 kHz). Esta señal se caracteriza por tener una frecuencia constante y una amplitud (valor) que también se mantiene constante.

La señal de CA se envía a través de los electrodos al tórax del paciente. A medida que el paciente inhala y exhala, la impedancia del tórax cambia. El voltaje que se mide en los electrodos también cambia en función de la impedancia del tórax. La señal de impedancia es amplificada por el amplificador para que pueda ser procesada por el circuito de procesamiento de señal. Este último realiza diferentes funciones, como eliminación de ruido y artefactos, cálculo de la frecuencia respiratoria, la profundidad de la respiración y el patrón respiratorio, utilizando el voltaje medido en los electrodos para calcular la impedancia del tórax. Este cálculo se realiza utilizando la siguiente fórmula: Impedancia = Voltaje / Corriente. La corriente se conoce de antemano, ya que es la que se inyecta a través de los electrodos. El voltaje se mide en los electrodos.

Garantizar la seguridad del paciente durante el uso del equipo de neumografía de impedancia es imprescindible, y se implementan diversas medidas de protección. Estas incluyen el uso de aislamiento óptico para prevenir el paso de corriente eléctrica al paciente, así como la aplicación de una fuente de corriente controlada, que regula cuidadosamente la corriente inyectada en el tórax para evitar posibles daños. Además, el equipo está diseñado con protección contra descargas de radiofrecuencia, asegurando un entorno seguro para el paciente durante el procedimiento.

Consideraciones de seguridad eléctrica

La seguridad del paciente es esencial en todos los equipos médicos. En el caso de la neumografía de impedancia, que utiliza una corriente eléctrica para medir la impedancia del tórax, se han implementado diversas medidas para proteger al paciente de cualquier daño potencial.

• Aislamiento óptico: se utiliza para evitar que la corriente eléctrica pase al paciente. Se logra mediante la utilización de un optoacoplador, que es un dispositivo que transmite señales eléctricas a través de un haz de luz. El optoacoplador tiene dos partes: un emisor y un receptor. El emisor convierte la señal eléctrica en una señal óptica, y el receptor convierte la señal óptica en una señal eléctrica. La luz no conduce electricidad, por lo que el optoacoplador crea una barrera eléctrica entre el paciente y el equipo.
• Fuente de corriente controlada: se utiliza para inyectar la corriente en el tórax está cuidadosamente regulada para evitar que cause daño al paciente. La corriente se limita a un valor muy bajo, generalmente inferior a 1 mA. Además, la fuente de corriente está diseñada para apagarse automáticamente si la impedancia del paciente supera un valor determinado.
• Protección contra interferencia por radiofrecuencia: las radiofrecuencias son ondas electromagnéticas que pueden causar interferencias con el equipo electrónico. El equipo de neumografía de impedancia está protegido contra las radiofrecuencias mediante el uso de filtros y blindajes.

Además de las precauciones previamente mencionadas, existen otras medidas importantes para salvaguardar la seguridad del paciente durante el procedimiento. Esto incluye la elección de electrodos de alta calidad, fabricados con materiales conductores que no irriten la piel del paciente. Además, es crucial realizar una calibración regular del equipo para asegurar la precisión de las mediciones de impedancia. Asimismo, es esencial proporcionar una formación adecuada al personal que opera el equipo, asegurando que estén familiarizados con las medidas de seguridad pertinentes y preparados para manejar cualquier eventualidad que pueda surgir durante el procedimiento.

Detección de artefactos

Los artefactos representan señales no deseadas que pueden perturbar la señal de la impedancia torácica en la neumografía de impedancia, comprometiendo la precisión y fiabilidad de la medición respiratoria. Estos pueden clasificarse en distintos tipos, incluyendo artefactos de movimiento, generados por acciones como toser o moverse; artefactos de la línea cardíaca, resultantes de la interferencia de la señal cardíaca; artefactos de la red eléctrica, provocados por la interferencia del campo eléctrico; y artefactos de apnea, originados por la ausencia de señal respiratoria. Para mitigar estos efectos, se recurre al uso de filtros para eliminar artefactos de movimiento, línea cardíaca y red eléctrica, así como a la aplicación de algoritmos de detección de apnea. Además, se deben tomar precauciones para evitar el desplazamiento de la señal, como la correcta colocación de los electrodos. La respuesta del monitor a los artefactos, ruidos, y otras características de la señal puede ser evaluada mediante simuladores de paciente, generalmente integrados en los simuladores de electrocardiografía.

Otros métodos para monitorear la respiración

Existen también métodos de monitoreo respiratorio basados en termistores puestos a la salida de las cavidades nasales, los cuales se enfrían al entrar en contacto con el aire espirado, generando un cambio en su resistencia. Así mismo se pueden usar galgas extensiométricas amarradas al torax y el abdomen del paciente, con el fin de generar un cambio de resistencia durante la expansión de estos. En el caso de los bebés, es también posible usar colchones con elementos capacitivos o resistivos que cambian de valor al deformarse el colchón por el efecto de la inhalación y exhalación del bebé.

Eso es todo por ahora. Espero que este post haya sido útil e interesante. Si te gustó, no olvides que hay varias formas de demostrarlo y apoyar esta publicación:
1- Darle click en el ícono de aplauso (la mejor).
2- También puedes dejar un comentario (muy útil también)
3- Compartirlo en tus redes sociales (excelente)
4- Resaltar las partes que te llamaron la atención (puede ser también muy útil)

Para saber más…

Biomedical device technology : principles and design (Second). (2016). . Charles C. Thomas Publisher. February 16 2024

Khandpur R. S. (2005). Biomedical instrumentation : technology and applications. McGraw-Hill.

Guyton and hall textbook of medical physiology (14th ed.). (2021). . Elsevier.