La cardiografía por impedancia (ICG-Inmpedance Cardiography), como señal electrofisiológica importante, mide el volumen sistólico (SV-Stroke Volume) mediante el seguimiento de los cambios en la impedancia torácica media instantánea, evaluando así la función hemodinámica cardíaca del cuerpo humano. Este artículo presenta los principios básicos y los métodos de medición de la ICG y, basándose en el chip AFE (analog front-end) altamente integrado de ADI, diseña e implementa una solución para la adquisición de señales ICG y el cálculo del SV.
Introducción
La cardiografía por impedancia (ICG) es una técnica no invasiva para evaluar la función cardiovascular mediante la medición de las variaciones en la impedancia bioeléctrica torácica asociadas con la actividad cardíaca. Los cambios en el volumen sanguíneo durante el ciclo cardíaco provocan variaciones correspondientes en la impedancia, a partir de las cuales se puede derivar el cardiograma de impedancia y su primera derivada (dZ/dt). La forma de onda dZ/dt contiene puntos característicos distintivos que reflejan eventos fisiológicos clave del ciclo cardíaco, lo que permite extraer parámetros hemodinámicos importantes, como el volumen sistólico (SV) y el tiempo de eyección del ventrículo izquierdo (LVET). Debido a su naturaleza no invasiva, su simplicidad y su capacidad de monitorización continua, la ICG se ha aplicado ampliamente en la monitorización de signos vitales (VSM) y la evaluación cardiovascular.
Cardiograma de impedancia
El cardiograma de impedancia, también conocido como señal/constante ICG, se obtiene mediante la tecnología de impedancia bioeléctrica (Bio-Z) y refleja los cambios en el volumen sanguíneo. La figura 1 muestra un cardiograma de impedancia típico.
Figura 1. Cardiograma de impedancia (ICG).
Entre ellos, ΔZ representa la impedancia torácica total y dZ/dt es su primera derivada. La forma de onda dZ/dt contiene puntos característicos e es y componentes de onda. Basándose en las posiciones y amplitudes de estos puntos característicos, se pueden calcular parámetros como el SV. Los puntos característicos de un ciclo cardíaco incluyen:
• Punto A: Aparece como una desviación hacia abajo en la señal ICG, causada por la contracción auricular.
• Punto B: Representa el final de la contracción isovolumétrica, la apertura de las válvulas semilunares y el comienzo de la fase de eyección rápida ventricular. En la señal ICG, se caracteriza como el inicio de la onda sistólica, correspondiente al momento de máximo aumento en la aceleración del flujo sanguíneo.
• Punto C: Representa el momento en que el flujo sanguíneo aórtico alcanza su máximo, lo que marca el final de la fase de eyección rápida y la transición a la fase de eyección reducida. En la señal ICG, se caracteriza como el pico (valor máximo) de la onda sistólica.
• Punto X: Representa el final de la sístole ventricular y el inicio del cierre de la válvula semilunar. En la señal ICG, se caracteriza como el valor mínimo tras la onda sistólica (que varía con la frecuencia cardíaca) y corresponde al punto de máximo aumento en la desaceleración del flujo sanguíneo.
• Punto O: Representa la apertura de la válvula auriculoventricular izquierda y el inicio del llenado ventricular.
Principio de la medición de la bioimpedancia
Mediante la medición de los cambios en la impedancia de los tejidos humanos ante una corriente alterna débil, se puede obtener la señal de impedancia cardíaca que refleja las variaciones del volumen sanguíneo. El cuerpo humano está compuesto por numerosas células, y el modelo eléctrico del tejido biológico puede representarse mediante el circuito equivalente que se muestra en la figura 2. En este modelo, Cm es la capacitancia paralela de la membrana celular, Re es la resistencia del líquido extracelular y Ri es la resistencia del líquido intracelular. Cabe señalar que Cm, Re y Ri en este circuito no representan la capacitancia de la membrana y las resistencias intra y extracelulares de una sola célula, sino la capacitancia y las resistencias equivalentes de todo el tejido biológico. Este circuito también se conoce como el modelo RC de tres elementos de bioimpedancia. En este artículo se emplea el método de cuatro electrodos, ampliamente utilizado para medir la bioimpedancia humana. El principio de este método consiste en aplicar una corriente de excitación a través de un par de electrodos, mientras se extrae el voltaje utilizando otro par de electrodos.
Figura 2. Modelo de impedancia equivalente del tejido humano.
Como se muestra en la figura 3, se colocan cuatro electrodos de gel 3M Ag/AgCl en la configuración estándar para la adquisición de ICG. D1 y D4 sirven como el par de electrodos de excitación, mientras que D2 y D3 sirven como el par de electrodos sensores. Se inyecta una corriente de alta frecuencia en el cuerpo humano a través de D1 y vuelve al chip a través de D4. Cuando se aplica una corriente constante al tórax, se genera una diferencia de potencial eléctrico entre los electrodos D2 y D3. Dado que la impedancia torácica varía con la actividad cardíaca, la diferencia de potencial también cambia en consecuencia. Esta señal de potencial variable es la señal o constate ICG.
Durante la adquisición de la señal, la colocación óptima de los electrodos es la siguiente:
• Electrodos de excitación D1: colocados en las depresiones detrás de las orejas izquierda y derecha.
• Electrodo de excitación D4: colocado en la parte superior del abdomen.
• Electrodos sensores D2: colocados simétricamente por encima de ambas clavículas.
• Electrodos sensores D3: colocados a ambos lados de la depresión situada debajo del proceso xifoides.
Cálculo del VS
La adquisición de la señal de impedancia tiene como objetivo generar la señal ICG a través de sus puntos característicos y, posteriormente, extraer y calcular el parámetro hemodinámico, es decir, el VS. La fórmula de cálculo es la siguiente:
W (kg) y H (cm) representan el peso corporal y la altura del sujeto, respectivamente.
(dZ/dt)max es la amplitud máxima de la señal ICG. LVET representa el tiempo de eyección del ventrículo izquierdo. Z₀ es la impedancia basal de los tejidos corporales.
IW significa peso ideal, que se calcula utilizando la fórmula de la ecuación 2.
Solución AFE de alta integración (MAX30009) para la medición de la bioimpedancia
En esta aplicación de medición de bioimpedancia, se emplea la solución AFE altamente integrada de ADI. Ofrece varias ventajas. En primer lugar, el canal de transmisión integra una fuente de corriente sinusoidal, capaz de suministrar una corriente de excitación de CA en un amplio rango de frecuencias, desde 16 Hz hasta 500 kHz, con un rango de amplitud de corriente de 16 nA rms a 1,28 mA rms. Tanto la frecuencia como la corriente son totalmente configurables. Además, su multiplexor de entrada/salida (mux) flexible admite estructuras de medición de electrodos bipolares o tetrapolares. En cuanto al canal de recepción, presenta una alta impedancia de entrada, bajo ruido y una alta relación de rechazo en modo común (CMRR). También proporciona ganancia programable, filtros de paso bajo/paso alto configurables y dos convertidores analógico-digitales (ADC) integrados de alta resolución (20 bits), lo que permite la adquisición sincrónica de señales IQ. En segundo lugar, en aplicaciones que requieren una alta precisión de impedancia absoluta (como el análisis/espectroscopia de bioimpedancia (BIA/BIS) o la medición de la impedancia corporal en desfibriladores externos automáticos (DEA)), el MAX30009 (https://www.analog.com/en/products/max30009.html) ofrece múltiples opciones de calibración. Conectando una resistencia de precisión externa al puerto de calibración de cuatro hilos dedicado, se puede lograr la máxima precisión. Alternativamente, sus resistencias de precisión ajustadas internamente también proporcionan un excelente rendimiento de calibración. La figura 4 muestra el diagrama de bloques del sistema interno.
Figura 4. Circuitos internos del sistema MAX30009.
Como se muestra en la figura 5, el sistema es una solución completa para la medición de la bioimpedancia. El sistema emplea el circuito integrado de gestión de energía altamente integrado y programable MAX20356 ( https://www.analog.com/en/products/max20356.html ) para gestionar los carriles de alimentación y comunicarse con el AFE de bioimpedancia MAX30009 a través de una unidad microcontroladora (MCU) conBluetooth® de baja potencia. Basándose en el principio de medición de bioimpedancia presentado anteriormente, el canal de transmisión del AFE utiliza un sintetizador digital directo (DDS) interno y un convertidor digital-analógico (DAC) para generar una tensión de barrido sinusoidal con frecuencia ajustable. Esta tensión se convierte en un estímulo de corriente a través de una resistencia de polarización y se aplica al cuerpo humano. La señal de respuesta se obtiene mediante el canal de recepción del AFE a través de la medición en los pines de entrada. En las mediciones ICG, el rango de frecuencia de la señal de excitación más utilizado es de 20 kHz a 200 kHz, con un valor RMS de corriente de excitación de aproximadamente 0,12 mA, lo que corresponde a un rango de impedancia CA del cuerpo humano de 0,1 Ω a 0,4 Ω. En este trabajo, se aplica al cuerpo humano una señal de excitación de 65,536 kHz y 256 μA para la medición de la impedancia.
Figura 5. Diagrama de bloques de un sistema de medición de bioimpedancia con los MAX32666, MAX20356 y MAX30009.
Algoritmo de detección de puntos característicos ICG
La señal de impedancia sin procesar se procesa primero secuencialmente a través de un filtro notch de 50 Hz, un filtro mediano y un filtro de paso bajo para obtener una señal de impedancia relativamente limpia. A continuación, la señal se diferencia una vez para obtener la señal ICG. Los puntos pico de la señal ICG, es decir, los puntos C, se detectan utilizando el método de umbral diferencial. Basándose en los puntos C de la señal ICG, se determinan las ventanas de tiempo para detectar los puntos B y X. Dentro de cada ventana de tiempo respectiva, la detección se realiza de la siguiente manera.
Algoritmo de detección del punto B: dentro de la ventana temporal del punto B, el valor máximo de la segunda derivada del ICG corresponde al punto B. Si el valor máximo es inferior al 15 % de Cpico , se toma como punto B el punto de cruce por cero de la señal ICG. Si no se encuentra ningún punto de cruce por cero, se utiliza como punto B el punto más cercano a 0,15 × Cpico.
Algoritmo de detección del punto X: dentro de la ventana de tiempo del punto X, primero se identifica un máximo local de la señal ICG, que representa el punto O. A continuación, se selecciona como punto X la posición con la pendiente máxima relativa al punto O dentro de esta ventana de tiempo. Si no se encuentra dicho punto, se toma como punto X el valor mínimo dentro de la ventana de tiempo. El Cpico se define como (dZ/dt)max, y la diferencia de tiempo entre los puntos B y X representa el LVET. La figura 6 muestra el diagrama de flujo del algoritmo de detección de puntos característicos ICG.
Resultados
La figura 7 muestra las señales de impedancia humana adquiridas utilizando el sistema descrito en la figura 5. La figura 8 presenta las señales ICG obtenidas tras procesar las señales de impedancia con el algoritmo de detección de puntos característicos ICG, con los puntos característicos C, B y X —utilizados para calcular el SV— marcados en las señales.
Conclusión
Las señales ICG son una de las señales biológicas importantes para evaluar la salud cardiovascular, estrechamente relacionadas con la función cardíaca y la hemodinámica. Por lo tanto, la adquisición y el análisis precisos de las señales ICG son cruciales para la monitorización de la salud cardíaca. El MAX30009 es un dispositivo AFE de bioimpedancia dedicado que puede generar varias señales de estimulación, como barridos sinusoidales, y medir con precisión la bioimpedancia a través de la demodulación en cuadratura. Se puede utilizar para adquirir señales ICG y permitir un análisis detallado de la actividad cardíaca. Este dispositivo también puede realizar mediciones sincronizadas con otros biosensores, lo que lo hace ventajoso frente a las soluciones tradicionales en aplicaciones de monitorización cardiovascular portátiles. Es una opción ideal para crear sistemas de medición de señales ICG de alta precisión.
Acerca de los autores
Tian Zhu es ingeniero de aplicaciones de campo y trabaja en Global Broad Market China, en Analog Devices. Se dedica principalmente a dar soporte a clientes de automoción e industriales de . Obtuvo su máster en Ingeniería Electrónica por la Universidad de Comunicación de China en 2023 y se incorporó a ADI ese mismo año.
Elvin Chen es ingeniero de aplicaciones y trabaja en Central Applications China en Analog Devices. Sus áreas de especialización son las cadenas de señales de RF y las soluciones de transceptores integrados. Obtuvo su máster en Ingeniería Biomédica por la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China en 2022 y se incorporó a ADI ese mismo año.
