ES2541500T3 - Procedimiento e instrumento de medición no invasiva de la oxigenación/saturación de tejido biológico - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para la medida no invasiva del estado de la oxigenación/saturación de un tejido humano o animal (TS) que tiene una concentración de agua dada, tal como, el cerebro o un músculo, que comprende, tras la elección del tejido a analizar, las etapas: -proporcionar un instrumento para la medición no invasiva de la oxigenación/saturación de tejido biológico que comprende al menos una fuente óptica (OS) que genera radiaciones luminosas de intensidad continua, una sonda óptica (OP) que comprende un emisor (E) para llevar las radiaciones de luz generadas por al menos una fuente óptica (OS) en una parte del tejido (TS) y un receptor (R) para recibir las radiaciones retrodispersadas del tejido, una unidad receptora (RU) usada para convertir y amplificar una señal óptica procedente de dicho receptor (R) en una señal eléctrica de salida (MIS), en el que la unidad receptora (RU) es un subsistema electrónico para detectar señales ópticas de bajo nivel y comprende un fotodetector (PD) para la conversión de radiaciones ópticas que proceden del tejido al receptor (R) en una señal de corriente proporcional a ellas, un preamplificador (PREAMPLI) para convertir y amplificar la corriente en una señal de tensión, y un bloque de procesamiento analógico (SHAPER) adaptado para filtrar y maximizar la proporción de señal frente a ruido y suministrar una señal de salida proporcional a la intensidad óptica retrodispersada del tejido y que comprende un circuito de ajuste de ganancia para el ajuste automático de la ganancia para adaptar el instrumento para medir tejidos con diferentes niveles de absorción, y un circuito de compensación adaptado para minimizar el efecto de luz externa en tiempo real añadiendo una señal igual a ella, pero de signo opuesto, y una etapa de integración sincronizada con la propia señal, una unidad de control electrónica (CU) adaptada para gestionar las temporizaciones, señales medidas y una interfaz de un ordenador personal externo (PC) a través de un software para el procesamiento de las señales eléctricas recibidas para obtener niveles absolutos de la oxigenación del tejido; - configurar y ajustar el instrumento de acuerdo con el tipo de tejido: - poner el emisor (E) y receptor (R) de la sonda óptica (OP) en contacto con el tejido (TS); - comenzar el ciclo de medida usando una señal apropiada; - el emisor (E) que emite radiaciones luminosas a una intensidad óptica dada y al menos a tres diferentes longitudes de onda en el espectro de infrarrojo cercano, donde al menos una es 980 nm, correspondiente a un pico de absorción de agua para una iluminación localizada del tejido; - el circuito de ajuste de ganancia que ajusta automáticamente la ganancia electrónica por medio de un potenciómetro digital, para adaptar la sensibilidad del instrumento al nivel de absorción del tejido examinado, y compensar el desplazamiento por medio de dicho circuito de compensación, para minimizar la intensidad de luz externa añadiendo una señal igual a esta, pero de signo opuesto, - el receptor (R) que recibe las radiaciones luminosas retrodispersadas del tejido a una distancia establecida de la zona iluminada; - transformar la radiación retrodispersada detectada en una señal eléctrica por medio de dicho fotodetector (PD) y amplificar la señal eléctrica por medio de dicho preamplificador de bajo nivel de ruido (PREAMPLI); la unidad de control electrónica (CU): - calcular la absorción óptica, expresada en densidad óptica, para cada longitud de onda dependiendo de la intensidad óptica incidente sobre el tejido y retrodispersar la intensidad óptica; - calcular la reflectancia para cada longitud de onda de la radiaciones emitidas; - multiplicar cada reflectancia por una constante dependiendo del tipo de receptor; - calcular el coeficiente de absorción a los 980 nm de longitud de onda, de acuerdo con la concentración y coeficiente de absorción específicos del agua; - calcular el nivel de reflectancia de acuerdo con la teoría migración de fotones en tejidos y con dependencia de su dispersión en el interior del tejido; - invertir el procedimiento de calcular la reflectancia en base al coeficiente y la reflectancia medida a la longitud de onda de 980 nm para recuperar el coeficiente de difusión (dispersión) en el tejido a dicha longitud de onda; - usar el coeficiente de dispersión calculado para deducir el coeficiente de dispersión de las demás longitudes de onda también; invertir el procedimiento de cálculo de la reflectancia sobre la base del coeficiente de dispersión calculado y la reflectancia medida para cada longitud de onda para recuperar el coeficiente de absorción para cada longitud de onda; - calcular las concentraciones absolutas de oxihemoglobina y desoxihemoglobina, de acuerdo con la ley de Lambert-Beer usando el coeficiente de absorción calculado previamente; - calcular la concentración absoluta de hemoglobina total como una suma de las concentraciones de oxígeno en hemoglobina y desoxihemoglobina y el índice de oxigenación del tejido como la proporción de la concentración de oxihemoglobina frente a la concentración de hemoglobina total; - memorizar y posiblemente visualizar en tiempo real en la pantalla de un ordenador personal (PC) las concentraciones calculadas.

Description

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03-07-2015

3) El nivel de μa (980nm) se calcula partiendo del coeficiente de extinción específico y a partir de la concentración de agua del tejido (no debería suministrar el software, se usa el instalado por defecto para 80 %)

4) La ecuación [Eq. 1] se invierte con un procedimiento numérico iterativo insertando el nivel de μa calculado en la etapa previa, se mide el nivel RT(980nm) experimentalmente y, por lo tanto, se deduce el coeficiente de dispersión a 980nm

5) El coeficiente de dispersión varía linealmente con la longitud de onda y la pendiente de esta relación depende del tipo de tejido investigado. Usando el coeficiente del nivel de dispersión de 980 nm, también se puede calcular el coeficiente de dispersión de las demás longitudes de onda usando la ecuación:

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6) para cada longitud de onda, salvo para 980nm, teniendo en cuenta el coeficiente de dispersión reducido calculado en la etapa previa, se puede calcular coeficiente de absorción con el nivel de RT medido experimentalmente y mediante inversión numérica iterativa de la ecuación [Eq. 1].

7) Conociendo los coeficientes de absorción a cada longitud de onda, se puede encontrar la concentración de los cromóforos, de acuerdo con la ley de Lambert-Beer, con una inversión por mínimos cuadrados de la siguiente matriz:

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8) Conociendo las concentraciones absolutas de oxihemoglobina c[HbO2] y desoxihemoglobina c[HHb], se puede encontrar la concentración de hemoglobina total c[tHb]=c[HbO2]+c[HHb] y el índice de oxigenación del tejido TOI=100*c[HbO2]/c[tHb].

A continuación, estos datos se envían a la unidad de control que genera un gráfico como el de la Fig. 8, que ha de visualizarse en un PC, para ofrecer la evolución continua del estado de oxigenación del tejido que se está examinando.

Este instrumento se estudió, en particular, pero no exclusivamente, para su aplicación en medicina deportiva y para el estudio de la oxigenación de tejido muscular. Para suministrar datos que se pueden usar para la evaluación funcional y configuración de una actividad deportiva se estudió y encontró una relación entre la aparición de acumulación de ácido láctico en la sangre y la forma de la traza de oxigenación. De forma específica, se ha establecido que cuando el nivel de oxigenación disminuye de a cuerdo con la curva con una pendiente mayor de un nivel límite fijado, establecido a través de experimentos, se puede observar una acumulación simultánea de ácido láctico. El instrumento se puede equipar con medios de señalización acústicos y/o visuales para advertir al usuario cuando la curva de oxigenación comienza a disminuir con una pendiente cercana al nivel límite, al objeto de calibrar la actividad deportiva. La ventaja es que dicho nivel límite no es teórico y no depende, de ningún modo, de la edad o nivel de entrenamiento del usuario, sino que es absolutamente objetivo y, por tanto, el instrumento proporciona una indicación real y no requiere ninguna configuración distinta a la del tipo de músculo que se está examinando.

El instrumento se puede hacer usando una configuración como la descrita previamente, para usarse, por ejemplo, en un centro médico, en un gimnasio o conectado con un equipo de gimnasia, tal como una cinta ergométrica, una bicicleta ergométrica o demás equipos, para mediciones más precisas, en las que la fuente óptica, unidad receptora y unidad de control están colocadas en el interior de una pieza de equipo conectada a la sonda a aplicar al músculo sometido a prueba y a un PC para ver en tiempo real la evolución de oxigenación, los medios de señalización y las diversas visualizaciones para los ajustes iniciales.

También está programada una versión "portátil" para el uso directo durante una actividad, donde tanto la unidad receptora como fuente óptica están colocadas en el interior de la sonda que se ha de aplicar al músculo que se está examinando, mientras que unidad de control está colocada en un pieza de equipo con dimensiones reducidas, que se comunica, por medio de una conexión con o sin cables, con la unidad receptora y que contienen medios para fijar y visualizar los parámetros iniciales y un señalizador acústico y/o visual. En segundo lugar, esta pieza de equipo se puede conectar a un PC para "descargar" el gráfico de la actividad deportiva y visualizarlo por medio de un software apropiado.

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