En el mundo actual, el monitoreo del estado de salud cardiovascular para un diagnóstico temprano es una de las principales áreas de investigación. El estudio de la frecuencia cardíaca y de la tensión arterial es un enfoque prominente para analizar el estado de salud cardiovascular durante la rutina diaria. Debido a su simplicidad, precisión y bajo costo, la fotopletismografía (PPG, por sus siglas en inglés) está ganando importancia y convirtiéndose en un enfoque alternativo para monitorear y estudiar signos vitales del cuerpo. La tecnología PPG utiliza sensores ópticos y es popular debido a su ligereza, elegancia, simplicidad y, lo que es más importante, puede ser utilizada como dispositivos portátiles como una pulsera de fitness inteligente. Debido a la naturaleza no invasiva de PPG, ahora se ha convertido en un estándar de atención en el quirófano y la unidad de cuidados intensivos ya que puede monitorear continuamente la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria, el gasto cardíaco y la presión arterial.
La tecnología PPG mide el cambio en el volumen de sangre en el tejido durante un ciclo cardíaco utilizando una fuente de luz. Esta medida volumétrica proporciona información importante sobre el sistema cardiovascular. Un sensor PPG consiste principalmente en dos componentes electrónicos, un emisor de luz y un componente de detección de intensidad de luz.
Normalmente, se utiliza un LED como emisor de luz y un fotodetector para detectar (captar) el cambio en la intensidad de la luz. Un pulso PPG correspondiente a un latido del corazón incluye las fases sistólica y diastólica. Durante la fase sistólica, el volumen de sangre en las arterias es mayor; esto se debe a que durante esta fase el corazón se contrae y empuja la sangre rica en oxígeno hacia todos los tejidos y órganos. La fase sistólica hace que se absorba más luz por las células sanguíneas. Por lo tanto, la cantidad de luz detectada por el fotodetector durante la fase sistólica es baja. Durante la fase diastólica, la sangre ha vuelto al corazón. Por lo tanto, durante la fase diastólica, la luz detectada por el fotodetector aumenta debido a una disminución en el volumen de sangre.
Dependiendo de la aplicación y la ubicación del sensor, el PPG se puede usar en modo transmisivo o en modo de reflexión.
Cuando un fotodetector y un LED se colocan en lados paralelos de un dedo para detectar la luz transmitida, este modo se conoce como modo transmisivo. En modo transmisivo, la sonda está en una proyección en la que el fotodetector y el LED se enfrentan entre sí con una capa de tejido entre ellos. La detección en modo transmisivo depende de la transmisión de luz desde las partes del cuerpo, por lo que las estructuras delgadas como el lóbulo de la oreja y el dedo son preferidas en este modo.
Cuando tanto el fotodetector como el LED se colocan en el mismo lado de un dedo para detectar la luz reflejada, es un modo de reflexión. En el modo de reflexión, ambos sensores se colocan uno al lado del otro con un espacio aproximado de 3 cm. Por lo tanto, el modo de reflexión puede usar cualquier sitio del cuerpo como la frente y la muñeca. La elección del sitio para colocar los sensores PPG depende de la perfusión sanguínea del paciente, la comodidad del sujeto y la aplicación.
La función del fotodetector es detectar y cuantificar la luz absorbida durante el flujo pulsátil y no pulsátil. Durante el flujo pulsátil, la luz se absorbe por el cambio en el flujo sanguíneo dentro de las arterias, que es sincrónico con un latido del corazón. Durante el flujo no pulsátil, la luz se absorbe por los tejidos de fondo. Por lo tanto, un fotodetector detecta el cambio volumétrico en el flujo sanguíneo en las arterias al detectar la diferencia de intensidad de luz. La medición de este cambio en la intensidad de la luz ayuda a analizar la funcionalidad del corazón. Una señal PPG consiste principalmente en componentes AC y DC. El componente AC en la forma de onda de salida PPG indica el cambio en la intensidad de la luz durante la fase sistólica y diastólica debido a la sangre en las arterias. La parte DC constante de la forma de onda PPG indica la luz absorbida por los tejidos, la piel y los huesos, como se muestra en la siguiente figura. El análisis del componente DC proporciona información valiosa sobre el flujo sanguíneo venoso, la respiración y la termorregulación. La variación en la intensidad de la luz detectada debido al flujo sanguíneo arterial es solo del 1%, lo que proporciona información sobre la funcionalidad del corazón.
¿Qué longitud de onda tiene la luz emitida?
Para que la medida sea más fiable, a menudo se realiza un análisis empleando diferentes longitudes de onda. La piel del cuerpo está compuesta principalmente por tres capas. Debido a la absorción, solo las ondas de luz con una longitud de onda más grande pueden penetrar a través de las tres capas. Por lo tanto, el modo de medición y las constantes vitales del cuerpo que deben monitorizarse determinan la selección del LED. La hemoglobina oxigenada absorbe la luz en el infrarrojo cercano (NIR), mientras que la hemoglobina desoxigenada absorbe luz a una longitud de onda roja. Como resultado, los PPG que emplean LED y fotodetectores de longitud de onda de luz NIR y roja se utilizan generalmente para un control clínico para calcular la concentración de hemoglobina.
Sin embargo, el movimiento del artefacto de medida influye también en la precisión de la medición y está relacionado a su vez con la longitud de onda de la luz utilizada. La luz de longitud de onda más larga, como la luz infrarroja, se ve más afectada por el movimiento, ya que penetra profundamente en el tejido. Por otro lado, la luz de longitud de onda más corta (luz verde) generalmente está libre de movimientos del artefacto. La luz de longitud de onda más corta penetra menos en el tejido corporal. Por lo tanto, para mitigar el efecto del movimiento y la absorción de luz por los tejidos del cuerpo, se ha propuesto PPG basado en sensores ópticos de múltiples longitudes de onda para detectar variaciones en el flujo sanguíneo en diferentes profundidades de la piel.
La luz emitida por el diodo es absorbida por los tejidos y la cantidad de absorción en términos de intensidad de luz detectada es determinada por el fotodetector. Cuando se usa como oxímetro de pulso, PPG utiliza dos LED de diferente longitud de onda. Un LED emite luz en el espectro rojo alrededor de 660 nm, en el que la absorción de luz debido a la desoxihemoglobina es mayor que la de la oxihemoglobina. Otro LED emite luz en el espectro infrarrojo a una longitud de onda de 940 nm, en el que la oxihemoglobina absorbe más luz que la desoxihemoglobina. Se obtiene información precisa sobre la circulación sanguínea durante un ciclo cardíaco al fijar la longitud de onda de los LED entre 660 y 940 nm. Finalmente, una unidad de microprocesador analiza la absorción de luz en cada longitud de onda para determinar la concentración de oxihemoglobina y desoxihemoglobina.
¿Y todo esto para qué sirve?
La fotopletismografía remota es la base sobre la que operan todas las pulseras de actividad. ¿Alguna vez te habías fijado en la luz verde que parpadea todo el tiempo? Se trata de la señal de led en el espectro de luz verde que funciona como emisor y refleja la luz sobre tu piel para capturar la información relativa a la frecuencia cardíaca y tensión arterial. Esta luz es recogida por un fotodetector tal y como se ha explicado anteriormente, se trata, por tanto, de un sensor PPG en modo reflexión.
Otro ejemplo lo encontramos en los pulsioxímetros. Estos, en este caso, utilizan un sensor PP en modo transmisivo. Un sensor luz emite luz sobre nuestro dedo y la señal recogida al atravesar las capas de luz de nuestro dedo es recogida por un fotodetector.
Sin embargo, los usos de la PPG van mucho más allá de lo que se explica en este artículo. En el siguiente artículo, te explicaremos cómo funciona la fotopletismografía remota basada en vídeo y cómo a través de un simple vídeo con la cámara frontal de tu smartphone es posible conocer tus constantes vitales ¡No te lo pierdas!