ESPECTROSCOPA DE IMPEDANCIA PARA MONITOREO DE ? detalle por Sacristn[11], y un espectrmetro

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    05-Aug-2018

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  • ESPECTROSCOPA DE IMPEDANCIA PARA MONITOREO DEDAO ISQUMICO EN LA MUCOSA INTESTINAL

    Csar A. Gonzlez1,2, Emilio Sacristn2, Cleva Villanueva1, Salah Othman2, Ral Narvez2, Tomas Aljama2

    1 Laboratorio Multidisciplinario de Investigacin, Escuela Militar de Graduados de Sanidad,Universidad del Ejercito y Fuerza Area, Mxico.

    2 Laboratorio de Instrumentacin Biomdica, Universidad Autnoma Metropolitana Iztapalapa,Ave. Michoacn y Pursima, Mxico DF 09340 Mxico, esr@xanum.uam.mx

    RESUMENEl objetivo de este estudio fue evaluar la posibilidad deutilizar la espectroscopa de impedancia para monitoreo dedao isqumico en la mucosa intestinal, utilizando unasonda intraluminal mnimamente invasiva. En la ltimadcada se ha demostrado la importancia de la mucosaintestinal en casos de choque y se han desarrollado variastecnologas para el monitoreo de la perfusin, laoxigenacin, y/o el nivel de isquemia en la mucosagastrointestinal. Ms notablemente se ha comenzado ausar clnicamente la tonometra para medir el pHintramucoso (pHi) como indicador de isquemia tisular. Sinembargo, ninguno de los mtodos reportados nos permitenidentificar la severidad del dao isqumico en la mucosaintestinal, informacin crucial para entender el desarrollodel choque y prevenir la Falla Orgnica Mltiple.El protocolo experimental se desarroll en un modelo dechoque hipovolmico isobrico en conejo anestesiado. Seregistraron espectros de impedancia compleja de 50Hz a300KHz y mediciones simultneas de pHi en la mucosa delleon, a diferentes tiempos de isquemia e isquemia-reperfusin. Los resultados muestran que los espectros deimpedancia de la mucosa intestinal son reproducibles, quelos espectros de tejido daado por un cierto periodo deisquemia son claramente diferenciables de los espectros detejido sano, y que estos cambios espectrales dependen deltiempo de isquemia y no del pHi o el nivel de perfusintisular.Palabras clave: Tonmetro, isquemia intestinal, Espectrode impedancia, pHi.

    1. INTRODUCCIN

    En los ltimos aos se ha reconocido la importancia de lamucosa gastrointestinal en el desarrollo de choque y deFalla Orgnica Mltiple (FOM). Cualquier insuficienciasistmica en el suministro de oxgeno afecta de forma muytemprana a la mucosa gastrointestinal [4,13]. Isquemia eneste tejido puede ser detectada en muchos casos, antes quecualquier otra irregularidad a nivel sistmico, y puedeservir como un indicador muy temprano del inicio dechoque. Despus de un cierto periodo isqumico, la mucosaintestinal se degrada, perdiendo su funcin de barrera ypermitiendo la traslocacin de endotoxinas y bacterias queagudizan el choque [6,8]. La isquemia en la mucosagastrointestinal ocurre en ms del 56% de los pacientes encuidados intensivos, y ha sido relacionado con el 80 % delas muertes [3].

    Se han desarrollado y evaluado varias terapiasenfocadas a evitar o limitar los efectos negativos del daoisqumico en la mucosa [2,12]. Sin embargo, la efectividadde estas terapias depende de forma crucial del estado de lamucosa en el momento de la intervencin. En particular, esimportante poder determinar si el dao a la mucosa esirreversible y si se ha perdido su funcin de barrera.Cuando el dao isqumico es an reversible, por ejemplo,la terapia se enfocara a restaurar el flujo sanguneo y elsuministro de oxgeno al tejido para prevenir mayordegradacin. Despus de un periodo largo de isquemia, eltejido ya se encuentra muy daado, y la terapia debeenfocarse a limitar el flujo sanguneo para no acarrear aotros rganos las endotoxinas y bacterias traslocadas y nocausar ms dao a la mucosa por reperfusin y generacinde radicales libres. Una terapia efectiva en casos de mucosaisqumica requiere de algn nuevo mecanismo capaz demedir el nivel de dao tisular en la mucosagastrointestinal.Algunos mtodos de monitoreo se han desarrollado paradeterminar las condiciones de flujo sanguneo [5] ymetabolismo en la mucosa, tales como el nivel de acidosis(pH), presin parcial de oxigeno (PO2 ) y presin parcialde dixido de carbono (PCO2) con el objetivo dedeterminar hipoperfusin, hipxia y particularmenteisquemia local en la mucosa intestinal. Entre estosmtodos, destaca la tonometra gastrointestinal que permitecalcular de forma indirecta el pH intramucoso (pHi) paradetectar isquemia en este tejido, y el cual se ha vuelto unatcnica de reconocido valor predictivo [3]. Pero ningunode estos mtodos permite hacer un diagnstico del daotisular en la mucosa, y no han sido claramente efectivospara guiar una terapia de resucitacin[7].Mediciones de impedancia elctrica en tejidos y sistemasbiolgicos han sido utilizadas por dcadas en una granvariedad de aplicaciones. La espectroscopia de impedancia,en especial, nos da una informacin muy completa de laestructura elctrica de un tejido. La espectroscopiacompleja de impedancia nos proporciona tambininformacin de fase, permitindonos separar loscomponentes resistivos y reactivos del tejido. En particular,Kun y Peura [9] han propuesto el uso de la espectrometrade impedancia para medir cambios en la isquemia operfusin de tejidos. Nuestra hiptesis es que esta tcnicadebe ser efectiva para identificar dao tisular en la mucosagastrointestinal.El propsito de esta investigacin es obtener espectros dela mucosa intestinal bajo diferentes condiciones deisquemia, perfusin y dao tisular, para determinar si

    Xioma RojasMemorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniera Biomdica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana, Cuba

    Xioma Rojas

    Xioma Rojas

    Xioma Rojas950-7132-57-5 (c) 2001, Sociedad Cubana de Bioingeniera, artculo 00444

  • existen diferencias reproducibles que permitan undiagnstico del estado tisular en casos de choque.

    2. METODOLOGA

    Espectrmetro de impedanciaSe dise y construy un instrumento prototipo, el cual

    puede medir la impedancia compleja del tejido afrecuencias hasta de 300 KHz. Este instrumento secompone de una sonda de cuatro electrodos descrita endetalle por Sacristn[11], y un espectrmetro deimpedancia compleja de puente de desmodulacin sncronadescrita en detalle por Othman[10]. El sistema utiliza unaPC como interfaz y plataforma para el procesamiento delos espectros. El espectrmetro genera una corriente deexcitacin a diferentes frecuencias dentro del rango deinters. Esta corriente se inyecta en el tejido por medio delos electrodos exteriores de la sonda (figura 1). Loselectrodos interiores de la sonda miden el potencialgenerado en el tejido por la corriente de excitacin. Enserie tambin se genera un potencial de referencia en unaresistencia conocida. El instrumento utiliza el mtodo dedesmodulacin para trasladar la informacin de cualquierfrecuencia de excitacin a una misma frecuencia baja parala conversin anlogo-digital, sin perder la informacin deamplitud y fase. La seal del tejido y la seal de referenciason procesadas y digitalizadas por circuitos idnticosparalelos. La amplitud y fase se calculan en software paracada frecuencia de excitacin. El espectro complejo deimpedancia se obtiene del conjunto de mediciones de unbarrido de frecuencias en el rango de inters.

    Protocolo quirrgicoLa etapa experimental consisti en experimentos in

    vivo en conejos blancos Nueva Zelanda de 2.5 a 4.2 Kg.Los animales fueron anestesiados con pentobarbital sdicoa 50mg/Kg, manteniendo la anestesia segn necesidad porel resto del experimento. En cada animal se realiz unatraqueotoma para asegurar una respiracin sinobstruccin. Se colocaron lneas en la vena yugularderecha y en la arteria cartida izquierda para el monitoreocontinuo de presin arterial y venosa. Tambin secateteriz la arteria femoral derecha para muestras desangre arterial y para extraer volumen sanguneo comoparte del modelo de choque hemorrgico. Se realiz unlaparotoma para introducir quirrgicamente la sondaexperimental y el tonmetro en el leon. Una vezconcluida la intervencin quirrgica, se hepariniz alanimal con una dosis de 200U/Kg (IV) y se comenz elexperimento (t = 0). En todos los experimentos seobtuvieron cada 30 minutos, una muestra arterial, unamuestra tonomtrica y un espectro de impedancia. Lasmuestras de sangre arterial y del tonmetro fueronanalizadas por gasometra para calcular el pHi. Alconcluir el experimento se aplic eutanasia por inyeccinde solucin de KCl endovenoso.

    Grupos experimentalesEl diseo experimental consisti en la creacin de 3grupos: Grupo Control (n=6). Grupo Isquemia (n=5) yGrupo Isquemia-Reperfusin (n=5). En el grupo control,se completo el experimento sin ninguna manipulacinadicional a partir del inicio del experimento en t = 0, hasta

    concluir en t= 240. En los otros dos grupos, despus deuna hora de estabilizacin (t=60), Los conejos fueron

    Fig. 1. Sistema de cuatro electrodos para medicin de impedanciacompleja del tejido. La fuente de corriente produce una excitacin senoidalconstante en el tejido a travs de los dos electrodos exteriores. Las medicionescomplejas de voltaje se realizan mediante los dos electrodos interiores

    Fig 2 Diagrama de bloques del espectmetro de impedancia. Elvoltaje generado en el tejido y el generado en una resistencia dereferencia son amplificados, desmodulados y digitalizados enparalelo para ser procesados en la PC..

    sometidos al modelo de hipovolemia isobrica deWIGGERS [14]. En este modelo se extrae sangre via laarteria femoral hasta alcanzar una presin arterial media(PAM) de 40 mmHg en un lapso aproximado de 15minutos y a continuacin se mantiene dicha presin pormedio de pequeas extracciones y reinfusiones peridicasde sangre. En el grupo de isquemia en nuestroexperimento, cuando el volumen exsanguinado lleg a sumximo y la presin empez a caer (inicio dedescompensacin), se continu el experimento sin ningunamanipulacin adicional hasta la muerte del conejo. En elgrupo de isquemia-reperfusin, la presin arterial de 40mmHg se mantuvo por 15 minutos despus del inicio dedescompensacin y luego se reinfundi el 60% delvolumen exsanguinado y se continu el experimento sinninguna manipulacin adicional hasta t=240 o hasta lamuerte del conejo.

    Anlisis espectralLos espectros de impedancia se realizaron con unacorriente de excitacin de aproximadamente 3 mA p-p a 26frecuencias diferentes en un ancho de banda de 50Hz a300kHz. Los espectros de impedancia fueron normalizados

    Fuente decorrientesenoidal

    Superficieequipotencial

    Sistema de medicinde voltaje complejo

    Tejido intestinal

    V

    ICuatroelectrodosde anillo

    Sistema de medicinde impedancia

    Distribucinde corriente

    Fuente de poder aislada

    PC

    I/O

    y

    A/DVtej

    +

    -

    +

    -

    AI

    AI FPB

    FPB

    IVM

    DesmoduladoresSondaintestinal de 4electrodos Vr

  • Real Z

    -2 -1 0 1 2

    Imag Z

    -2

    -1

    0

    1

    2

    Control t=90 Hipovolemia t=90

    Real Z

    -2 -1 0 1 2

    Imag Z

    -2

    -1

    0

    1

    2 Control t = 240 Hipovol-Reperf t=240

    Real Z

    -2 -1 0 1 2

    Imag Z

    -2

    -1

    0

    1

    2 Control t=180 Hipovol_Prof t=180

    (a)

    (b)

    (c)

    con relacin a la impedancia de referencia medida a300KHz (el punto registrado ms insensible a cambios deimpedancia), dividiendo las impedancias por laimpedancia de referencia y restndole a las fases la fase dereferencia. Los espectros luego fueron promediados portiempo y grupo. Finalmente, los espectros normalizados ypromediados para cada tiempo fueron comparados paraestablecer si se podan encontrar claras diferencias.

    3. RESULTADOSEn la figura 3 se muestra el curso temporal de la PAM

    de los tres grupos experimentales. En la figura 4 semuestra el curso temporal del pHi medido por tonometraen el ilen. En el grupo control la PAM y el pHi semantienen estables y normales durante todo elexperimento. En los grupos de isquemia e isquemia-reperfusion se ve que el sangrado coincide con un cadacasi inmediata en pHi y a 60 minutos del inicio delsangrado, el pHi se encuentra completamente anormal. Enel grupo de isquemia-reperfusin, el pHi comienza arecuperarse despus de la reinfusin.

    Fig. 3. Representacin grfica de la Presin Arterial Media en lostres grupos experimentales. Las curvas de los tres grupos sediferencian claramente. Se muestra tambin los datos de significanciaestadstica mediante un anlisis anova de 2 vas.

    Fig. 4. Representacin grfica del pHi calculado. Se puede ver quepara los grupos isquemia despus de los 90 minutos ya tenemos unamarcada isquemia en el intestino.

    Fig. 5. Diagramas de Nyquist de los espectros promedionormalizados de tejido sano y tejido isqumico a tres tiemposdiferentes. En (a) a t=90 la mucosa ya esta en isquemia y el espectroempieza a diferenciarse del control. En (b) a t=180 la mucosa yasufri ms de 90 minutos de isquemia y su espectro es claramentediferente al control. En (c) a t=240 la mucosa lleva una hora dereperfusin y su espectro vuelve a parecerse al control.

  • Un anlisis de la varianza frecuencia por frecuencia de losespectros mostr que no hay una diferencia significativa enamplitud y fase en los 3 grupos, para los tiempos de t=0 at=90. A partir de t=120 se encuentr una diferenciasignificativa entre los espectros, la cual crece y se vuelvems obvia con el tiempo de isquemia. A t = 195 todos losconejos del grupo de isquemia haban muerto. En el grupode isquemia-reperfusin se inici le reinfusin alrededor det=155. En este grupo, a t=240 ya no se encuentra unadiferencia significativa en los espectros con respecto a losdel grupo control. La figura 5 muestra grficas de Nyquistde los espectros normalizados promedio de isquemia oisquemia reperfusin contra los espectros control a lostiempos t=90, t=180, y t=240.

    4. DISCUSIN

    La representacin grfica del curso temporal de la presinarterial media (Grfica 1), refleja claramente el correctodesarrollo del protocolo experimental de choque isobricopara los grupos isquemia e isquemia-reperfusin conrespecto al grupo control. El sangrado empieza despus det = 60 y se llega a la PAM de 40mmHg entre 75< t

  • IMPEDANCE SPECTROSCOPY FOR ISCHEMIC INJURYMONITORING IN THE INTESTINAL MUCOSA

    ABSTRACTThe main objective of this work was to evaluate the feasibility of monitoring ischemic injury in the intestinalmucosa by impedance spectroscopy, using a minimally invasive intestinal catheter. In the last decade it has beenshown that the gastro-intestinal mucosa plays a key role during shock, and several tecnologies have beendeveloped to monitor mucosal perfusion, oxygenation, and/or ischemia. Most notably, tonometry has begun to beused clinically to measure intramucosal pH (pHi), as an index of tissue ischemia. Nevertheless, none of thereported mucosal monitoring methods can assess the level of ischemic injury and tissue damage which is crucialto the characterization of shock and the prevention of Multiple Organ Failure (MOF). The experimental protocolrelied on a hipovulemic isobaric shock model in anesthetized rabbit. Complex impedance spectra were recordedin the range of 50Hz to 300KHz, with simultaneous measurements of pHi in the mucosa of the ileum at differenttimes of ischemia and ischemia-reperfusion. Results show that the impedance spectra in the intestinal mucosa arereproducible, that the spectra of mucosa injured after a certain period of ischemia are clearly identifiable from thespectra of healthy tissue, and that any spectral changes are dependent on time of ischemia and not pHi or level oftisssue perfusion.Keywords: Tonometry, intestinal ischemia, impedance spectroscopy, pHi.

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