SISTEMA DE OSCILOMETRIA DE IMPULSO – PARTE I

Introducción

La gran mayoría de las pruebas funcionales respiratorias se estudian a partir de mediciones realizadas durante maniobras respiratorias forzadas, una alternativa distinta consiste en estudiar la respuesta del sistema respiratorio mediante estímulos externos lo cual lo hace no dependiente de la cooperación del paciente, por ejemplo la técnica de Oscilometría de Impulso.

El Sistema de Oscilometría de Impulso (IOS) ha ganando paulatinamente su lugar en los últimos 20 años tanto en investigación como en la práctica clínica en el ámbito del Diagnóstico Respiratorio. Esta técnica es joven en su uso dentro del área de la neumología. Sin embargo, sus orígenes se remontan a Dubois y colaboradores en los años 50´s quienes describieron un método oscilométrico para medir las propiedades mecánicas del pulmón y del tórax. Con el advenimiento de los avances tecnológicos y con el creciente interés clínico sobre este método en 1981, Müller y Vogel publicaron un nuevo enfoque: la Oscilometría de Impulso. (Figura 1).

Su principio de funcionamiento está basado en la generación de pequeñas señales de presión externas generadas por una membrana oscilante las cuales son aplicadas como un tren de ondas de corta duración (30-40 mseg) al sistema respiratorio. Las pequeñas ondas de presión externas viajan superpuestas con la respiración normal (Frecuencia Respiratoria: 0,25 Hz a 0,35 Hz) del paciente hacia el interior del sistema respiratorio generando una respuesta en el mismo.

OSA System with Labels
Figura 1: Generador de los Impulsos de Oscilometría

Sustento Teórico

El concepto clave en la mecánica respiratoria mediante Oscilometría de Impulso es la llamada ”Impedancia Respiratoria” (Zrs), que determina la relación entre la presión (Pm, presión) y el flujo de aire (V’) los cuales son medidos en la boca del paciente que se encuentra respirando normalmente aire ambiente a través de una interfaz de medición que lleva el nombre de neumotacógrafo.

Las señales de presión y flujo medidos para el cálculo de la Impedancia Respiratoria no son las generadas por la ventilación corriente del paciente, sino las generadas ante el estímulo de los impulsos externos. En este proceso interactúan varias fuerzas como se detalla a continuación:

Fuerzas ejercidas en el proceso de la respiración:

  • Fuerza ejercida por el flujo
  • Fuerza ejercida por el volumen
  • Fuerza ejercida por la aceleración del flujo

Por su parte, el sistema respiratorio opone tres tipos de resistencia al desplazamiento del aire hacia y desde su interior:

  • La resistencia friccional al flujo de gas a través de las vías aéreas: Resistencia
  • La resistencia elástica de los pulmones y de la pared torácica al aumento del volumen: Elastancia (relacionado directamente a la distensibilidad)
  • La resistencia a la deformación de los tejidos pulmonares y de la pared torácica. Inertancia (respuesta del sistema respiratorio a la columna de aire)

 Resulta la ecuación matemática de la presión (ecuación de movimiento) necesaria para movilizar un gas:

                                           PT= R*V’+E*V+I*V”

donde R resistencia, E  elastancia, I inertancia, V’ flujo, V volumen, V’’ aceleración

Como la Impedancia Respiratoria depende también de las frecuencias de los estímulos, se utiliza un método matemático llamado Trasformada Rápida de Fourier que en esencia es una forma diferente de representar la información para poder analizar las diferentes frecuencias que intervienen en la medición, quedando la siguiente ecuación:

Donde:

Zrs: Impedancia Respiratoria

F(iPm): Transformada de Fourier de la presión

F(iV’): Transformada de Fourier del flujo de aire

Rrs: Resistencia de la vía aérea

Xrs: Reactancia Pulmonar

 

La Impedancia Respiratoria es la suma de todas las fuerzas que se oponen a las señales de presión (impulsos).

Lo interesante de este sistema es que podemos hacer un análisis de la vía aérea utilizando solo dos parámetros que son independientes entre sí y del patrón respiratorio del paciente:

         Resistencia de la Vía Aérea    Rrs

         Reactancia Pulmonar              Xrs

Cabe aclarar que el análisis de estos dos parámetros se hará en función de la frecuencia, es decir, dependiente de las lecturas que se obtengan en relación a cada una de las frecuencias contenidas en el rango útil de la medición (rango de 5 Hz a 35 Hz).

Para comprender el concepto de estos dos parámetros debemos enfocarnos primeramente en entender como la Oscilometría de Impulso es capaz de diferenciar el sistema respiratorio:

Erróneamente pensamos que la información obtenida de la vía aérea es derivada de la frecuencia respiratoria de la respiración espontánea del paciente. Si aplicamos información adicional mediante impulsos (frecuencias adicionales a la frecuencia respiratoria), el sistema respiratorio tendrá una respuesta frente a esas frecuencias como se mencionó anteriormente. Las frecuencias más bajas inciden sobre todo el árbol bronquial alcanzando la vía aérea distal y parénquima pulmonar, mientras que las frecuencias más altas inciden sobre la vía aérea proximal.

Se ha encontrado de gran utilidad clínica la utilización de la frecuencia de 5 Hz como representativa de las bajas frecuencias mientras que se utiliza la frecuencia de 20 Hz como representación de las altas frecuencias.

El alcance de las señales externas en las vías aéreas se puede sintetizar mediante la figura 2.

Figura 2: Respuesta fisiológica a la señales externas

 

El espectro de frecuencia de los impulsos diferencia el tracto respiratorio.

 

La resistencia al flujo de la vía aérea (Rrs) se diferencia según el calibre de las mismas. Desde el punto de vista de la morfología del sistema respiratorio, cuando un bronquio se ramifica, el diámetro de cada una de las subdivisiones es menor que el del bronquio originario, pero el área de sección transversal de ambas subdivisiones en conjunto es mayor, al haberse duplicado el número. Por lo tanto, el área de sección transversal total va aumentando progresivamente desde las vías respiratorias superiores hasta los bronquíolos más periféricos (forma de trompeta (Weibel)  – Figura 3).

Al pasar de la tráquea hacia los alveolos, las vías aéreas individuales son cada vez más estrechas y se produce un aumento muy importante en el número de ramificaciones. La resistencia es igual a la suma de las resistencias en cada una de estas vías. En la vía aérea central, hasta la generación 8 a 10 la sección transversal total de cada generación permanece sin cambios significativos con respecto a la generación anterior. En cambio, en la vía aérea periférica, la sección transversal total de la vía aérea en cada siguiente generación se va incrementando rápidamente y la velocidad del flujo de aire se reduce de forma importante. En la vía aérea periférica no hay limitación al flujo ya que la resistencia es muy pequeña al estar las generaciones de la vía aérea dispuestas en paralelo.

De lo expuesto se deduce que la mayor parte de la Resistencia del sistema respiratorio está en la vía aérea central, siendo despreciable la contribución de los bronquios más periféricos. Por lo tanto, independiente del método utilizado para medir resistencia, mediremos Resistencia de la vía aérea (Rrs) en la Vía Aérea Central ya que es en esta porción donde hay limitación en la velocidad del flujo.

Ahora, ¿cómo el sistema detecta patología obstructiva periférica? Debemos apoyarnos en otro parámetro que no sea la Rrs y ese parámetro que describe el comportamiento de la vía aérea periférica es la llamada Reactancia Pulmonar (Xrs).

Como mencionamos más arriba, lo interesante de este método es que Rrs y Xrs son independientes uno del otro, lo cual brinda una optimización en la interpretación de resultados.

Figura 3: Representación esquemática del área de sección transversal en relación a la generación bronquial

El componente Reactivo, Xrs, que es el parámetro que más cuesta comprender, incluye las fuerzas inerciales del movimiento de la columna de aire en las vías aéreas (Inertancia) y las propiedades elásticas del pulmón y la caja torácica (Capacitancia). A bajas frecuencias, la incidencia de la Capacitancia es más prominente y definida con signo negativo, mientras que a altas frecuencias, las propiedades de Inertancia, que por definición es de signo positivo, dominan frente a la Capacitancia.

 

 

 

Donde:

Ca = Capacitancia

Irs = Inertancia

f = Frecuencia

W = 2*π*f

Como se realiza la prueba

Como en toda prueba en diagnostico respiratorio, se debe realizar la calibración y verificación del neumotacógrafo de acuerdo a la normativa ATS/ ERS vigente y realizar una verificación del sistema de oscilometría utilizando una resistencia de referencia de 0,2 kPa/L/s para asegurar que el equipo está midiendo dentro de sus especificaciones.

El paciente debe estar sentado con las piernas sin cruzar, espalda recta y barbilla un poco levantada para evitar sumar resistencia en la vía aérea, la boquilla con filtro anti-bacterias. Asegurar que haya un buen sello entre la boquilla y los labios para prevenir perdidas de señal, también se debe de utilizar clip nasal. Preferentemente el paciente (o eventualmente el técnico operador) debe mantener las palmas de las manos firmemente sobre las mejillas durante la prueba, se le debe pedir al paciente estar relajado y que realice respiración normal durante la medición que es de aproximadamente 15-30 segundos.

En la edición número II abordaremos las estrategias para la interpretación de resultados con algunos ejemplos y los valores predichos.

SISTEMA DE OSCILOMETRIA DE IMPULSO – PARTE II

SISTEMA DE OSCILOMETRIA DE IMPULSO – PARTE III

 

Referencias y agradecimientos

“Impulse Oscillometry – Analysis of Lung mechanics in general practice and the clinic, epidemiological and experimental research” Authors: Johannes Vogel and Udo Smidt.

“The forced oscillation technique in clinical practice: methodology, recommendations and further developments” Oostveen E. et al. ERS Task Force. Eur Respir J 2003; 22: 1026-1041

“Values of Impulse Oscillometry in Healthy Mexican Children and Adolescents”. Authors: Laura Gochicoa-Rangel MSc MD, Luis Torre-Bouscoulet MSc MD, David Martinez-Briseño MSc, Luis Rodriguez-Moreno MD, Gabriela Cantu-Gonzalez MD and Mario H. Vargas MSc MD.

“Chapter 5 – Forced oscillation technique and impulse osillometry”, Authors: H. J. Smith, P. Reinhold, MD Goldman

“Modern Impulse Oscillometry in the Spectrum of Pulmonary Function Testing Methods” Authors: J. Winkler, A. Hagert-Winkler, H. Wirtz, G. Hoheise –  Institute Fachpraxen für Pneumologie und Allergologie, Leipzig Klinik and Poliklinik für Diagnostische Radiologie, Klinikum der Universität Leipzig

“Impulse Oscillometry: Interpretation and practical aplications”, Authors:Scorr Bickel, MD; Jonathan Popler, MD, FCCP; Burton Lesnick MD, FCCP; Nemr Eid, MD, FCCP

“La Resistencia de la vía aérea en las obstrucciones de las vías aéreas superiores” – Capote Gil, Castillo Gomez, Montemayor Rubio

Agradecimiento a la colaboración de la Dra. Laura G. Gochicoa Rangel, Jefa del laboratorio de Fisiología Respiratoria del Instituto Nacional de Enfermedades Respiratorias “Ismael Cosío Villegas”, Ciudad de México, México.

Agradecimiento a la colaboración de la empresa Servicios de Ingeniería en Medicina SA de CV, Ciudad de México, México, División Diagnóstico Respiratorio, Ing. José Manuel Avila Rojas.

 

 

Sebastian Masanet

Sebastian Masanet

Ingeniero Biomedico (Bioingeniero) egresado de la Facultad de Ingeniería - Bioingeniería de la Universidad Nacional de Entre Rios (Argentina). Desde el año 2008 se ha desempenado en diversas posiciones en el área de Diagnóstico Respiratorio y Cardiopulmonar de las empresas CardinalHealth, CareFusion, BD y ahora en Vyaire Medical. Actualmente se desempeña como Responsable Comercial en soluciones para Diagnióstico Respiratorio para America Latina. Anteriormente se desempeñó como Ingeniero Clínico en el Instituto Cardiovascular de Buenos Aires (Ciudad de Buenos Aires - Argentina)

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