La medición, y especialmente el seguimiento, del patrón ventilatorio (PV) durante largos períodos de tiempo es una cuestión aún no suficientemente resuelta en neumología. Los métodos de referencia (neumotacómetro), al necesitar una boquilla o una mascarilla, modifican la forma de respirar. Los métodos alternativos, en especial la pletismografía por bandas inductivas, se han abandonado casi por completo debido a los problemas de calibración, que resultaban muchas veces insoslayables1. Otra posibilidad, propuesta recientemente, consiste en un sistema de transmisión de vibraciones respiratorias, aunque no se ha estudiado bien para este uso2. En el ámbito de la neumología, se han comprobado las aplicaciones de la tomografía por impedancia eléctrica (TIE) en la determinación de la función pulmonar unilateral3,4,5 y, más recientemente, también en la medición del PV en individuos sanos. No obstante, el principal problema radica también en el sistema de calibración del equipo.

La TIE transforma la señal inicial de impedancia eléctrica en una serie de imágenes torácicas que posteriormente deben, a su vez, traducirse en una señal de volumen6. Todo esto obliga a realizar transformaciones matemáticas que tengan en cuenta las principales variables antropométricas del individuo. Nuestros estudios en población sana han determinado que estas variables son: el sexo (la calibración resulta más difícil en el sexo femenino), los pliegues cutáneos (anterior, lateral, posterior y subescapular) y el perímetro torácico (diferente distribución de la grasa y existencia de glándulas mamarias)7.

Igual que ocurre con la diferente configuración externa del tórax en cada individuo, las primeras observaciones realizadas en pacientes con enfermedades respiratorias nos permitieron apreciar la dificultad añadida de calibrar el equipo de TIE en estas personas. La existencia de mayor o menor atrapamiento aéreo, así como la diferente superficie de intercambio gaseoso, podía modificar la transmisión eléctrica. Así pues, si queríamos utilizar la TIE para medir el PV (volumen circulante) en pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), debíamos tener en cuenta estas circunstancias internas, además de las ya conocidas del exterior del tórax.

Nuestro objetivo ha sido analizar la relación entre las diferentes variables de la función pulmonar y las determinaciones de impedancia eléctrica, con la finalidad última de encontrar un modelo matemático de calibración que, añadido al ya conocido de la configuración torácica externa, pudiera permitir en un futuro utilizar la TIE para medir y seguir el PV en varones con EPOC.

El equipo TIE-4 es la cuarta versión de un prototipo diseñado por el Departamento de Electrónica de la Universitat Politècnica de Catalunya. Permite registrar señales de volumen-tiempo a partir de una secuencia de imágenes obtenidas a través de 16 electrodos (Red Dot 2560 de 3M, London, Ontario, Canadá) colocados alrededor del tórax.

Las imágenes se adquieren a partir de la inyección de una corriente de 1mA a una frecuencia de 48kHz a través de los 16 electrodos colocados en el tórax del individuo, la cual es conducida a un par de multiplexores que posteriormente la inyectarán al individuo mediante otro par de electrodos. El resto de electrodos mide secuencialmente la tensión que se genera en la superficie del tórax, con ayuda de un sistema de detección. Una vez que se han realizado las medidas para ese par inyector, se trasladan los puntos de inyección y detección de forma adyacente, y comienza un nuevo ciclo de medida8. El procedimiento se repite hasta haber utilizado todos los electrodos en su modalidad inyector y detector. El equipo ha sido probado y se utiliza para otros registros en el Laboratorio de Función Pulmonar3,9.

¿ V Var o ´ n = ( ¿ IC ) / ( 2908 - 13 , 2 × W ( kg ) - 31 , 7 × SS _ Sk ( mm ) )

Mediante el procedimiento descrito se obtiene una matriz de transconductancias superficiales, que se convierten en variaciones regionales de conductividad en el interior del cuerpo mediante un algoritmo de reconstrucción adecuado. Finalmente debe individualizarse la escala de valores de impedancia, ya que es función, además, como decíamos, de las características físicas de cada persona. El valor que corresponde a la estimación del volumen circulante para varones sanos se obtiene mediante la siguiente fórmula:

Donde ¿IC es el valor de la suma de las variaciones de conductividad en toda la región estudiada, W es el peso y SS_Sk es el pliegue subescapular.

Se estudió a 28 varones consecutivos, diagnosticados previamente de EPOC ¿volumen espiratorio forzado en el primer segundo (FEV 1 )/capacidad vital forzada (FVC)<70%¿, que acudían al laboratorio para el estudio de su función pulmonar. Las exploraciones se realizaron siempre en el mismo período de tiempo (de 9 a 12h de la mañana), en una habitación tranquila, con una temperatura ambiente de 25°C, un 60% de humedad y a nivel del mar. Todos ellos aceptaron participar voluntariamente en el estudio, que había aprobado previamente el Comité de Ética del centro.

Los 2 equipos (neumotacómetro y TIE-4) se situaron en paralelo, con funcionamiento independiente y sin respuesta de uno sobre el otro. Antes de su utilización se calibraron de la siguiente manera:

• La calibración del neumotacómetro se realizó mediante una jeringa neumática de 3l, según el protocolo habitual del laboratorio (diferencia aceptada<1%).

• El equipo TIE-4 se calibró mediante una ecuación ya establecida en personas sanas6,7. Además, se verificó la velocidad de adquisición de imágenes (16¿18 imágenes/s) en el momento de la medición.

Antes de efectuar cada determinación se obtuvieron los parámetros antropométricos de cada paciente (edad, peso, talla e índice de masa corporal) y se midieron los pliegues cutáneos (anterior, lateral, posterior y subescapular) mediante unas pinzas electrónicas de tipo plicómetro Skinfoldmeter. A continuación se realizaron los diferentes estudios de función pulmonar ¿espirometría, volúmenes pulmonares estáticos y transferencia de monóxido de carbono (CO)¿. Tras un período de descanso de 15min se procedió a la medición del PV. Una vez colocados los 16 electrodos y tras haber calibrado y conectado los equipos, se iniciaba la respiración en reposo y se almacenaban 3 lecturas distintas en archivos con extensión TXT y ASC para su posterior análisis. Las determinaciones consistieron en registrar tanto gráfica como numéricamente las magnitudes del volumen circulante de los pacientes en períodos de 30s (entre 5 y 8 ciclos respiratorios), con un descanso entre medidas de 3min. Al final del ejercicio se registraron en total entre 20 y 25 ciclos.

Los datos se muestran como media y desviación estándar. Las determinaciones obtenidas por el neumotacómetro y el equipo TIE-4 se compararon mediante la prueba de la t de Student para datos no paramétricos. Para analizar la relación entre variables se utilizó el coeficiente de correlación de Spearman, y el comportamiento de las diferencias de volumen circulante se evaluó mediante el análisis de concordancia de Bland-Altman. En todos los casos se consideró significativo un valor de p<0,05. Por último, con todas las variables, se aplicó una regresión multivariante para obtener un modelo de ecuación que permitiera calibrar el equipo de TIE en pacientes con EPOC.

Las características antropométricas del grupo de pacientes (todos ellos varones) fueron: edad media (±desviación estándar) de 69±9 años, talla de 1,65±0,07m, peso de 76±12kg e índice de masa corporal de 28,0±4,2kg/m2. Las medidas de los pliegues torácicos, determinados en la zona anterior, lateral, posterior y subescapular, fueron, respectivamente: 23±6; 25±8; 24±8, y 26±9mm.

En la espirometría, los valores de la FVC y el FEV 1 fueron un 72±16% y un 43±14% del valor de referencia, respectivamente. La relación FEV 1 /FVC fue del 42±9%. En los 22 pacientes en quienes pudieron obtenerse los volúmenes estáticos, los valores promedio del volumen residual y de la capacidad pulmonar total fueron del 161±44% y el 112±17% del valor de referencia, respectivamente. En los 19 pacientes a quienes pudo medirse la transferencia al CO, los valores medios de la capacidad de transferencia de CO (DLCO) y del coeficiente de transferencia de CO (KCO) fueron, respectivamente, un 58±17% y un 76±25% del valor de referencia (tabla 1).

Tabla 1. Variables de función pulmonar en los pacientes estudiados

Todos los valores están representados como porcentajes respecto a su valor de referencia.

Los valores medios de volumen circulante de las determinaciones obtenidas con el neumotacómetro y el equipo TIE-4 fueron: 0,697±0,181 y 0,515±0,223l, respectivamente (p<0,001). El valor medio de la diferencia entre las determinaciones obtenidas con ambos equipos fue 0,182±0,125l. El coeficiente de correlación de Spearman entre ambas determinaciones fue: r=0,825 (p<0,01).

La relación de las variables de función pulmonar con el índice de impedancia eléctrica, por un lado, y con las diferencias observadas en el volumen circulante con ambos equipos, por otro, se expone en la tabla 2. El coeficiente de correlación fue estadísticamente significativo para la relación del índice de impedancia con el cociente FEV 1 /FVC, la DLCO y el KCO, por una parte, y entre la diferencia de volumen circulante con los 2 sistemas utilizados y la DLCO y el KCO, por otra.

Tabla 2. Matriz de correlación de las variables de función pulmonar analizadas con el índice de impedancia y con la diferencia de volumen circulante entre los 2 equipos utilizados

DLCO: capacidad de difusión de monóxido de carbono; FEV 1 : volumen espiratorio forzado en el primer segundo; FVC: capacidad vital forzada; KCO: coeficiente de transferencia de monóxido de carbono; RV: volumen residual; TLC: capacidad pulmonar total.

Diferencias = 1 , 81 - 0 , 82 × talla ( cm ) - 0 , 004 × KCO ( % )

Las diferencias de volumen circulante entre ambas determinaciones, en función del valor basal obtenido mediante el neumotacómetro, se exponen en la figura 1. La media de las diferencias fue de 0,432, con unos márgenes de aceptabilidad que oscilan entre +0,422 y ¿0,068l. En este intervalo se incluyen todos los puntos. No obstante, esta diferencia entre determinaciones puede corregirse mediante la siguiente expresión (R2=0,568; p<0,01).

Figura 1. Gráfica de Bland-Altman. Distribución de las diferencias obtenidas en el volumen circulante en función del valor del neumotacómetro.

¿ VEPOC = ¿ V varones + Diferencias

De manera que la estimación para pacientes EPOC quedaría así:

Los datos obtenidos en el presente trabajo permiten afirmar que el valor del volumen circulante medido en pacientes con EPOC mediante el equipo de TIE deberá tener en cuenta no sólo las características externas del tórax (fundamentalmente la talla), sino que además las alteraciones pulmonares, expresadas a partir de la reducción del área de intercambio, modifican el valor final de la señal eléctrica registrada.

Estas afirmaciones se sustentan fundamentalmente en la relación observada entre el valor global de la impedancia eléctrica y las variables que expresan la situación del área de intercambio gaseoso. Aunque también se observa una relación significativa con la existencia de obstrucción al flujo aéreo, esta variable no entra finalmente en la ecuación de ajuste. No se ha podido apreciar ninguna relación significativa entre las mediciones de impedancia y el volumen residual, por lo que se deduce que el aire más o menos atrapado en el pulmón no interfiere de forma significativa en la transmisión de la señal eléctrica.

Aunque, lógicamente, las determinaciones de volumen circulante con ambos procedimientos guardan una relación significativa, la distribución de dichos valores en una tabla de concordancia (Bland-Altman; figura 1) pone de manifiesto que la práctica totalidad de los valores obtenidos con la TIE son menores que los obtenidos con el neumotacómetro, y la diferencia es estadísticamente significativa. No obstante, como se pone de manifiesto en la ecuación multivariante, esta diferencia es corregible mediante un proceso matemático que compense este error prácticamente sistemático.

El verdadero problema para el uso de la TIE en la medición del volumen circulante durante la respiración en reposo reside en la dificultad a la hora de calibrar la señal eléctrica y obtener una señal de volumen equiparable y mantenible. En personas sanas, el factor de compensación debe tener en cuenta las variables antropométricas, y muy especialmente las que configuran el tórax (pliegues cutáneos y peso)7. En pacientes diagnosticados de EPOC, se añade además la situación interna del tórax, con obstrucción al flujo aéreo, atrapamiento y reducción del área de intercambio. De todas estas variables, la única que modifica de forma significativa las determinaciones y que, en última instancia, debe añadirse a la ecuación de compensación es el KCO. En nuestro caso, además, al haber estudiado tan sólo a varones, no intervienen significativamente los pliegues cutáneos y, al igual que ocurre con la espirometría, la variable más determinante es la talla. Todas estas consideraciones adquirirían una relevancia especial si los pacientes con EPOC fueran mujeres.

En una misma línea de investigación, diversos grupos de ámbito internacional estudian la forma de calibrar las determinaciones volumen-tiempo obtenidas por la TIE, basándose en diversas teorías que modelan matemáticamente las características de cada individuo. El principal problema radica en encontrar un método de calibración que permita transformar la señal eléctrica de TIE en términos de volumen. El grupo de investigación del Departamento de Ingeniería Clínica de la Universidad de Kiatasato (Sagamihara, Japón)10 propone un método de calibración basado en ajustar las medidas obtenidas a un modelo matemático, en el que intervienen variables de densidad y conductividad del tejido pulmonar, obtenidas en modelos experimentales. Con ello no sólo proponen medir el volumen circulante, sino que se atreven a medir las variables de la espirometría y los volúmenes pulmonares estáticos. Sus datos se han validado únicamente en un grupo homogéneo y reducido de personas sanas, jóvenes y muy delgadas.

Otro enfoque es el presentado por el grupo de investigación de la Universidad de Ingeniería Biomédica de Tel-Aviv (Israel)11. En este caso, el método de calibración se basa en la caracterización del pulmón derecho e izquierdo mediante un algoritmo teórico de reconstrucción, que mide la resistividad de cada pulmón. La validación de su modelo matemático se realizó en un grupo de 33 personas sanas, obteniendo resultados de volumen-tiempo, cuya relación con los parámetros antropométricos no fue significativa.

Frerich12, en una magnífica revisión, valoró los intentos realizados en la literatura médica para resolver este problema. De un total de 37 publicaciones analizadas en el período 1985¿1999, destaca la gran diversidad, el escaso número de individuos (sanos y pacientes), la complejidad de los diferentes métodos y, por último, la necesidad de encontrar una solución sencilla para ajustar las determinaciones de TIE a los cambios de volumen pulmonar. En los últimos años los únicos intentos realizados a este respecto son los antes mencionados de Nebuya et al10 y Zlochiver et al11. Nuestros datos aportan una novedad práctica al utilizar variables sencillas (datos antropométricos) a la vez que datos de la función pulmonar básica, disponibles en este tipo de pacientes. No obstante, deberían validarse en un nuevo grupo de pacientes diagnosticados de EPOC y con características físicas similares.

El comportamiento de la corriente eléctrica inducida a través de los tejidos corporales está condicionado por sus propias características. La distribución de la grasa corporal alrededor del tórax, el volumen de pulmón, la rigidez de la piel, la talla, el peso, etc., todos ellos constituyen una amplia gama de factores que modifican la transmisión de la corriente eléctrica y, por lo tanto, los cambios de impedancia en los tejidos. A ello hay que añadir las diferentes alteraciones en la rigidez, obstrucción y atrapamiento aéreo que pueden darse en el interior del tórax con diferentes enfermedades. Esto añade una nota de mayor dificultad, ya que cada enfermedad modifica la estructura de los tejidos pulmonares de forma diferente y, por lo tanto, debería contarse, teóricamente, con un sistema de calibración para cada tipo de enfermedad.

Una opción para evitar este tipo de dificultades sería utilizar la TIE únicamente para el seguimiento del PV y no para la medición real de volumen. A falta de un procedimiento sencillo y rápido que permita evaluar de entrada las principales variables que pueden modificar la transmisión eléctrica a través del tórax, deberíamos reservar este procedimiento sólo para evaluar los cambios a través del tiempo, sea cual sea el valor real del volumen circulante. De lo contrario, la determinación de la TIE debería efectuarse simultáneamente con un neumotacómetro, lo que no resuelve la necesidad real de las mediciones consecutivas a lo largo de un tiempo prolongado.

Proyecto financiado por Red Respira, Instituto de Salud Carlos III-SEPAR y Beca Marató TV3.