Estado del arte (contexto comercial y científico) y lista de requerimientos
Como la gran mayoría de enfermedades cardíacas, el diagnóstico se realiza principalmente mediante un electrocardiograma. Un electrocardiograma es un examen que mide y registra los impulsos eléctrico-cardiacos generados por el nodo sinoauricular en la parte superior del corazón (aurícula derecha).
Para realizar esta medición como procedimiento clínico, es estándar realizar un electrocardiograma de 12 derivaciones.
Electrocardiograma de 12 derivaciones:
Una derivación consiste en una descripción gráfica de la actividad del corazón. Esta se obtiene gracias al análisis de las corrientes eléctricas detectadas por los 10 electrodos que se utilizan en dicho método. Las derivaciones se pueden separar en dos categorías, derivaciones en las extremidades y derivaciones del pecho.
Cuando los impulsos eléctricos, provenientes del nodo sinoauricular (el cual actúa como marcapasos principal), viajan por el corazón, se genera una diferencia de potencial. Dicha tensión se mide con respecto a los electrodos colocados en la piel. Un electrocardiógrafo se encarga de comparar, filtrar y amplificar las diferencias de potencial y generar las derivaciones.
Durante un ciclo cardiaco, todas las derivaciones miden el mismo evento pero desde distintos ángulos; por lo que el patrón de ECG de algunas derivaciones con ángulos similares pueden parecerse entre sí. Por esta razón, se puede realizar un diagnóstico sin tener que recurrir a las 12 derivaciones. Inclusive, varias arritmias se pueden diagnosticar con una sola derivación.
Las derivaciones más sencillas se pueden realizar usando solamente dos electrodos, un electrodo de referencia y otro de búsqueda. Otras derivaciones realizan una combinación de dos o tres electrodos como el de referencia.
La actividad del corazón se puede observar tanto del plano frontal como el plano horizontal. Las derivaciones de las extremidades se realizan tanto con el electrodo de referencia como el de exploración en el plano frontal, pudiendo medir los vectores eléctricos en dicho plano. De manera análoga, las del pecho se realiza con el electrodo de referencia y el de búsqueda al rededor del este; obteniendo mediciones del plano horizontal.
Willem Eithoven, quien sentó las bases del electrocardiograma moderno propuso sus tres primeras derivaciones de las extremidades, [1]
Figura 1.- Derivaciones de las extremidades. [1]
Estas se pueden representar a través del triángulo de Einthoven, en este además se encuentran representados las demás derivaciones frontales:
Figura 2.- Triangulo de Einthoven. [1]
En todos los casos, la medición se hace en el mismo sentido del ángulo del electrodo positivo (el cual sería el electrodo de exploración).
En el pecho existen 6 posiciones a los cuales se pueden conectar electrodos:
Figura 3.- Posiciones de electrodos en el zona pectoral. [1]
De los puntos V1 y V2 se obtienen las desviaciones septales. Son especialmente importantes para la observación del tabique interventricular.
Los puntos V3 y V4 representan las derivaciones anteriores de la pared anterior del ventrículo izquierdo.
Los puntos V5 y V6 corresponden a la pared lateral baja del ventrículo izquierdo. [1],[2],[3]
Aunque el electrocardiograma de 12 derivaciones muestra información vital del corazón, solo muestra unos pocos minutos de la actividad eléctrica del corazón. Este tiempo no suele ser suficiente para captar anomalías durante el tiempo en el que se realiza el examen. Además, en el examen el paciente se encuentra en reposo y en silencio. Esto hace que no se presenten ciertas anomalías que no aparecerán a menos de que el paciente realice actividades más demandantes para el corazón.
Debido a esto, se tiene como una práctica común el uso de un monitor Holter. Dicho dispositivo actúa con los mismos principios que un electrocardiograma al detectar las diferencias de potencial mediante electrodos; no obstante, sobresale por su portabilidad, permitiendo que se realice un monitoreo contínuo hasta de 48 horas.
La idea de dicho monitoreo es la de detectar qué actividades en la vida diaria del paciente producen anomalías cardíacas, como lo pueden ser las arritmias. Al término de su uso, el médico mira los registros de electrocardiograma guardados en el dispositivo.
Una desventaja es, sin embargo, que el monitor Holter no es capaz de medir las 12 derivaciones que se pueden medir con un ECG estándar. No obstante, y como se mencionó anteriormente; las 12 derivadas no son necesarias para detectar las arritmias.
Se suelen detectar solo dos o tres derivaciones. Comúnmente se conecta una derivación de las extremidades y una del pecho, como la derivación II (plano frontal) y la derivación V1 (plano horizontal). Si se llegara a usar una tercera, se pueden usar tanto una derivación V adicional, usualmente la V6, o una derivación en las extremidades; como la III.
Es importante mencionar, sin embargo, que las posiciones de los electrodos está ligeramente cambiada para permitir la libertad de movimiento del paciente. El paciente también debe poner de su parte y entender cómo cuidar y mantener el monitor Holter durante su uso y que actividades deben evitarse. Asimismo, es importante que el paciente tenga una noción de las actividades que realizó durante el día y para poder ligarlo a las anomalías en el electrocardiograma. [4]
El costo de uno de estos equipos oscila entre 500 y 2800 dólares. Aunque no es tan caro como otros tratamientos; sería entendible que una cantidad considerable de entidades públicas carezcan de estos equipos. [5].
Como se mencionó anteriormente, era una práctica común que el médico, presencialmente y al final de periodo de examen, examine manualmente el Holter. Un estudio por encuestas en el año 2004, no obstante, indica que los pacientes sometidos a un monitoreo cardiaco prefieren una retroalimentación rápida por parte del médico [6] .Además, algunas enfermedades cardiacas tienen propiedades asintomáticos o intermitentesPor estas razones, en las últimas dos décadas se han estado realizado avances para optimizar dicho monitoreo; ya sea mediante monitoreo a larga distancia,wearables y otras propuestas para permitir un tratamiento a largo plazo. A continuación se presentarán algunos de dichos esfuerzos:
En el año 2005, aún cuando los celulares y el internet no tenían la inmensa presencia que existe al día de hoy; grupos de investigación ya habían notado que era posible fusionar dispositivos Holter con teléfonos móviles para enviar para enviar información a los hospitales. Uno de estos grupos propuso una solución al Holter para poder realizar tratamientos a largo plazo y mantener cierto monitoreo.
Su sistema permitía que alguien sin ningún conocimiento técnico pudiese operarlo. Los electrodos podían ser fácilmente manipulados y reemplazados por los pacientes. Además, la detección de electrocardiograma contaba con un sistema de alarma que avisaba si el paciente se encontraba desmayado o era inconsciente de que estaba sufriendo una arritmia. El aparato principal [Figura 4] ,asimismo, guardaba y analizaba por sí solo los patrones de ECG, y los mandaba por un servidor de internet a personal capacitado del hospital o clínica con el que se estaba trabajando.
El servidor era sumamente versátil, pues permitía que, mediante una red privada permitía que, desde su misma casa, el paciente pueda comunicarse directamente con el cardiólogo; recibiendo mensajes, prescripciones de medicamentos y pudiendo realizar las preguntas correspondientes. [Figura 5]
Figura 4.- [A la izquierda] Paciente con electrodo conectado en el pecho sosteniendo el dispositivo. [Lado derecho] Dispositivo conectado al circuito y la batería. [7]
Los electrodos usados se pegaban con un hidrogel, existiendo el riesgo de causar incomodidades en la piel. Estos sensores usan una transmisión de radio RF, para mandar muestras continuas de electrocardiograma. El receptor convierte estas muestras usando un microcontrolador.
El sistema era compacto, solo usando una sola derivación con dos electrodos (V2-V3). Los electrodos no estaban conectados por ningún cable, sino que usaban transmisión inalámbrica y la batería duraba para varios días. Su objetivo principal era de funcionar como una alternativa al Holter, pero específicamente para la detección de arritmias (Debido al uso de una sola derivación, otras enfermedades no pueden ser detectadas). [7].
El sistema fue utilizado al año siguiente para pruebas clínicas, sus resultados no se encuentran disponibles pero se hace mención a la confianza de los diseñadores en la efectividad de su producto.
Figura 5.- [Lado derecho] Tabulación de todas las alarmas a lo largo del tiempo. [Lado derecho] Electrocardiograma con un rango de 1 minuto . El médico puede mirar más detalladamente el electrocardiograma,y los puntos de alarma se encuentran indicados [7].
En el año 2009 un equipo en Korea pensó en diseñar una prenda basada en electrodos P-FCB (Planar Fashionable Circuit Boards).Estos últimos se basan en una placa de circuito plano implementado en un parche de tela. [Figura 6]. A diferencia de los llamados electrodos húmedos de Ag/AgCl, los cuales muestran una degradación en la señal con el tiempo y posibles problemas toxicológicos (como la generación de dermatitis); los electrodos de tela son secos.
Dicha prenda tiene por característica de tener un bajo consumo y los electrodos ya se encuentran pegada a de tal forma que estén en contacto directo con la piel. . Usando una pila AA, la prenda puede seguir tomando registro del voltaje hasta por 14 días sin tener que cambiarse.
Figura 6.- Posición de los electrodos vistos por encima de la prenda.[8]
Gracias a los electrodos incorporados en la tela, el paciente puede moverse libremente mientras usa la prenda con comodidad.[8]
En este dispositivo, los electrodos se encuentran conectados a un chip de monitoreo y este a otras características como un USB como se muestra en el diagrama de bloques:
Figura 7.- Diagrama de bloques.[15]
Los electrodos PCFB están hechos de un chip que contiene un circuito plano y monitoriza el ECG. El chip se encuentra fijado gracias un compuesto de plata, polímero, solvente y ciclohexanona. Tiene propiedades conductoras, alta adhesividad y mayor resistencia mecánica.
Estos electrodos secos, sin embargo, tienen como desventaja una mayor impedancia con respecto a los electrodos normales:
Figura 8.- Electrodos PCFB.[15]
Como se mencionó anteriormente, los electrodos son electrodos secos para prevenir los problemas que ocurren con los electrodos húmedos convencionales como la dermatitis. El problema con los electrodos secos, sin embargo, es que la impedancia que tienen es mayor a la de lo electrodos convencionales de cloruro de plata:
Figura 9.- Gráfico de Impedancia vs Frecuencia de electrodos de PFCB y de cloruro de plata.[15]
Esta impedancia se hizo notable en las pruebas de medición comparativas frente a un electrocardiograma convencional realizado en los mismos puntos de comparación:
Figura 10.- Comparación de ECG con electrodos PFCB secos y electrodos húmedos.[15]
Como se puede apreciar; aunque las derivaciones obtenidas son visualmente similares; el ruido que tienen dichos electrodos secos es mucho mayor. No obstante, eso no impide que, con la derivación obtenida, sea suficiente para diagnosticar arritmias.
Métodos como el uso de tela fueron validados incluso hasta el año pasado [9]. Un estudio finalizado este año usó electrodos más avanzados basados en seda cubiertos de polímeros conductores. Estos electrodos se caracterizan por su conductividad eléctrica, flexibilidad y por ser hidrofílicos. Dichas características permiten que se adapten a la superficie de la piel; lo cual mejoró la estabilidad y calidad del electrocardiograma.
El electrodo en mención se conoce como hitoe, y fue diseñado en Japón. Están hechos de tela textil electroconductiva cubierta con un polímero PEDOT-PSS. Dichos electrodos tienen dimensiones tales que la distancia desde su centro hacia afuera sea de 20cm. Ambos se encuentran conectados a un lazo electroconductivo a partir de cables de plata y un terminal de EGC. Se buscó obtener la derivación I.
Aún si se está usando un electrodo textil, y a diferencia del intento anteriormente mencionado (PFCB), el Hitoe tiene mucho menos ruido y una menor impedancia a la de los electrodos convencionales (135±35 contra 219±17 kΩ). Los patrones de EKG en ambos eran muy similares, mostrando además que los electrodos hitoe no se saltearon ninguna palpitación y no tienen una cantidad considerable de ruido.
Figura 10.- Comparación de ECG con electrodos PFCB secos y electrodos húmedos.[15]
Para probarlos los electrodos fueron unidos a ropa deportiva [Figura 7]. La funcionalidad del electrodo permaneció incluso después de 50 lavadas y no irritó la piel. Se usó una sola derivación en V5, y probó su funcionalidad generando un monitoreo de EGC contínuo menos en situaciones donde se realizaron movimientos bruscos el tronco superior del cuerpo.
Figura 7.- [Modelos de prendas con electrodos para hombres (arriba) y mujeres (abajo)][9]
Los teléfonos celulares pueden ser un gran componente de asistencia. HeartToGo es una aplicación creada en el año 2010 para una investigación basada en smartphones para poder detectar enfermedades cardiacas en tiempo real. [Figura 8]
Figura 8.- [ Arriba: Captura de pantalla de la aplicación][Abajo: Electrodos y monitor inalambrico][10]
Este dispositivo hace uso de un monitor de electrocardiograma inalámbrico y ligero (60g de peso con batería). Tiene una batería de duración moderada (60h). Además tiene un compartimiento para tarjetas SD; permitiendo que se hagan análisis sin conección (Como un holter tradicional). La conección se hace vía bluetooth y en tiempo real. La investigación tuvo como objetivo el medir la contracción ventricular prematura. La detección de la arritmia se basa en la usa una base de datos MIT-BIH. Esto sirve para detectar arritmias que no se detectarían normalmente en personas usando un monitor convencional. A partir de dicha base de datos, se usó un algoritmo con un de detección QRS con una capacidad de predicción del 99.69%[10]
Tabla N°1.- Lista de requerimientos
Referencias:
[1] Rawshani, A. (2017). The ECG leads: electrodes, limb leads, chest (precordial) leads, 12-Lead ECG (EKG) – ECG learning. https://ecgwaves.com/ecg-topic/ekg-ecg-leads-electrodes-systems-limb-chest-precordial/#Derivation_of_the_ECG_leads
[2] Correlación entre Derivaciones y Paredes Cardiacas, Localización de las Derivaciones. (2015). https://www.my-ekg.com/generalidades-ekg/paredes-derivaciones-cardiacas.html
[3] Electrocardiogram (EKG). (2019). https://stanfordhealthcare.org/medical-tests/e/ekg.html
[4] Passanisi, C. (2004). Electrocardiography essentials (2nd ed.). Orange, CA: Career Pub.
[5] García, G., & Kino, K. (2018). DESARROLLO DE UN EQUIPO TIPO HOLTER DE UNA DERIVACIÓN PARA MONITOREO DE SEÑALES CARDIACAS Y UNA APLICACIÓN WEB DE PROCESAMIENTO DE SEÑALES ECG PARA DETECCIÓN Y ESTUDIO DE ARRITMIAS DE TIPO FIBRILACIÓN AURICULAR. Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas.
[6] R. Fensli, E. Gunnarson, and T. Gundersen, "Design Requirements for Long-Time ECG recordings in a Tele-Home-Care Situation, A Survey Study," Scandinavian Conference in Health Informatics 2004, 2004, Arendal, Norway, 2004; pp14-18
[7] Fensli, R., Gunnarson, E., & Gundersen, T. (2005). A Wearable ECG-recording System for Continuous Arrhythmia Monitoring in a Wireless Tele-Home-Care Situation. IEEE Symposium On Computer-Based Medical Systems.
[8]Yoo, J., Long Yan, Seulki Lee, Hyejung Kim, & Hoi-Jun Yoo. (2009). A Wearable ECG Acquisition System With Compact Planar-Fashionable Circuit Board-Based Shirt. IEEE Transactions On Information Technology In Biomedicine, 13(6), 897-902. doi: 10.1109/titb.2009.2033053
[9]Tsukada, Y., Tokita, M., Murata, H., Hirasawa, Y., Yodogawa, K., & Iwasaki, Y. et al. (2019). Validation of wearable textile electrodes for ECG monitoring. Heart And Vessels, 34(7), 1203-1211. doi: 10.1007/s00380-019-01347-8
[10]Oresko, J., Zhanpeng Jin, Jun Cheng, Shimeng Huang, Yuwen Sun, Duschl, H., & Cheng, A. (2010). A Wearable Smartphone-Based Platform for Real-Time Cardiovascular Disease Detection Via Electrocardiogram Processing. IEEE Transactions On Information Technology In Biomedicine, 14(3), 734-740. doi: 10.1109/titb.2010.2047865