Sistema de procesamiento de señales útil en cirugía del corazón

Los padecimientos cardiovasculares se encuentran entre las principales patologías que afectan a la población mexicana, una de ellas es la enfermedad de las arterias coronarias, afección que se presenta cuando la placa se deposita dentro de éstas, estrechándolas y permitiendo que fluya menos sangre por las arterias hacia el corazón.

La opción terapéutica para este padecimiento es una cirugía de revascularización, que consiste en instalar puentes coronarios o bypass para restablecer la circulación en las vías cardiacas.

Anteriormente, la forma que tenían los cirujanos para medir el flujo sanguíneo de un puente coronario era presionarlo con los dedos para saber si había pulsación. Sin embargo, esta valoración empírica podía tener errores y no ser definitiva, ya que se podría detectar pulso en el bypass y aun así estar obstruido.

Frente a estos antecedentes, en el Instituto de Investigaciones en Matemáticas Aplicadas y en Sistemas de la UNAM se creó un sistema que hace una medición cuantitativa y cualitativa de la velocidad y las condiciones del flujo sanguíneo de los bypass colocados durante una cirugía de revascularización coronaria.

El doctor Fabián García Nocetti, investigador principal del proyecto, comentó que la idea fundamental del sistema es ofrecer una metodología que permita valorar las condiciones del flujo durante el proceso operatorio, para que antes de concluir la cirugía se tenga la certeza de que el flujo avanza en condiciones adecuadas para el proceso de revascularización realizado.

Medición del flujo sanguíneo

Esta línea de investigación inició hace más de una década en el Departamento de Ingeniería de Sistemas Computacionales y Automatización del IIMAS, en donde han trabajado, entre otras cosas, en la problemática de flujometría (en este caso las características del flujo bajo ciertas condiciones y en cierto tipo de arterias) y en el diseño y desarrollo de algoritmos orientados al procesamiento de señales en tiempo real, siendo una vertiente las señales Doppler de ultrasonido para medición de flujo sanguíneo.

El doctor García Nocetti comenta que desde hace cinco años, a través de un proyecto de colaboración con médicos y cirujanos cardiovasculares del Instituto Nacional de Cardiología “Ignacio Chávez”, ellos les plantearon la problemática que enfrentan al no poder hacer una valoración cuantitativa de las condiciones del flujo sanguíneo después de una cirugía de revascularización coronaria.

Parte del proceso de esta cirugía consiste en instalar puentes coronarios utilizando segmentos de arterias que se obtienen del mismo organismo del paciente que se está operando. Sin embargo, era necesario contar con un método que les permitiera hacer una medición cuantitativa y cualitativa de las condiciones del flujo del bypass instalado.

El investigador explicó que la irrigación del flujo sanguíneo puede tornarse irregular por situaciones que se presentan en el momento de la cirugía, como  la sutura demasiado ajustada en alguno de los extremos del bypass o porque los segmentos de arteria que se utilizan internamente tienen estructuras que se desgajan y pueden obstruir la arteria.

“Una vez que se instala el bypass es muy importante, para evitar errores quirúrgicos y sobre todo de flujo, hacer una medición directa de las condiciones del flujo de los diferentes puentes que se han instalado, ya que a veces no se instala un solo puente sino varios, dependiendo las condiciones del paciente o la patología. Es necesario monitorearlos todos para saber que están bien instalados”, dijo el investigador universitario.

Estimación de la velocidad

El equipo de trabajo encabezado por el doctor García Nocetti cuenta con investigadores expertos en cómputo de alto desempeño, en procesamiento de señales, en diseño experimental, en electrónica, en computación y en cirugía cardiovascular, quienes de manera conjunta han desarrolla el sistema.

Cabe destacar que es el tercer prototipo de este sistema creado por los investigadores universitarios, el cual está integrado por componentes de software, hardware y un sensor ultrasónico más esbelto que un lápiz.

Para valorar el proceso quirúrgico de revascularización es necesario poner el sensor en contacto con el bypass recién colocado. Este detector envía una señal ultrasónica sobre el torrente sanguíneo, la cual choca contra los glóbulos rojos y al regresar se genera una diferencia de frecuencia entre la entrada y la salida de esta onda que es proporcional a la velocidad del flujo sanguíneo correspondiente que interesa medir.

El doctor García Nocetti explicó que la medición se hace utilizando una metodología basada en el efecto Doppler. Se hace incidir, a través de un sensor, una onda ultrasónica del orden de unos 8 megahercios (MHz) sobre el torrente sanguíneo. Esa onda cruza el flujo de la arteria y la diferencia de la frecuencia entre lo que incide y lo que regresa, que retoma el mismo sensor, es proporcional a la velocidad.

“Éste es realmente el principio general que estamos utilizando para obtener una estimación de esa velocidad y para eso se requiere utilizar algoritmos de estimación espectral que procesan la señal Doppler de ultrasonido”, comentó el doctor García Nocetti.

Procesamiento de la información

El investigador explicó que la señal Doppler de ultrasonido que están captando se procesa y despliega en forma de un espectrograma en tiempo real. A partir de éste se obtienen las curvas de velocidad correspondientes, de las que se derivan tanto la velocidad como su perfil dentro del conducto sanguíneo.

Los datos que se despliegan en un espectrograma de dos dimensiones son útiles para el cirujano, ya que cualitativamente puede identificar, de acuerdo a la forma que tiene ese tipo de señales ya graficadas, si existe o no un tipo de anomalía en la medición que están utilizando. Por tanto, la información brinda una medición cuantitativa del flujo, así como cualitativa al hacer el análisis correspondiente en tiempo real.

Posteriormente, el procesamiento de la información es realizado en una computadora. La señal enviada por el sensor es adquirida, procesada, desplegada y cuantificada, brindando al cirujano información cuantitativa y cualitativa del perfil de velocidad y las condiciones del flujo sanguíneo.

Cabe señalar que para captar la señal sólo se necesita realizar una medición superficial, colocando el sensor sobre el bypass entre 5 y 10 segundos, tiempo suficiente para hacer la medición del flujo sanguíneo. Estos sensores son reusables y pueden esterilizarse con métodos tradicionales.

Aplicaciones en Cuba

Cada una de nuestras arterias tiene un espectro asociado con su perfil de velocidad, por tanto, los cardiólogos conocen cuál es la forma del perfil que una arteria coronaria, en ciertas condiciones, debe presentar en el espectrograma, de tal forma que cuando observan variaciones en éste son capaces de detectar si existe alguna anomalía en el flujo sanguíneo.

“Hemos trabajado en diferentes métodos de estimación espectral para generar estos espectrogramas con diversas metodologías, esto corresponde en gran parte al trabajo de investigación básica que se ha hecho, el cual es muy importante para seleccionar cuál es el mejor método para cada tipo de arteria. Lo anterior se traduce en herramientas que brindan una mayor información al cirujano cardiovascular en la valoración del proceso operatorio”, dijo el doctor García Nocetti.

La valoración del sistema creado por los investigadores del IIMAS se realiza actualmente en el Hospital Ameijeiras en Cuba, en donde entre 2010 y 2011 se adquirieron 319 señales en 106 operaciones. “A veces son varios bypass por paciente, la arteria mamaria es la que más se ha utilizado para obtener los puentes instalados en este proceso quirúrgico, siendo importante que sean del mismo paciente para que no haya rechazo”, explicó.

El investigador puntualizó que próximamente esperan firmar un convenio de colaboración en el que se establezca un protocolo para utilizar este prototipo en pacientes del Instituto Nacional de Cardiología Ignacio Chávez. Este sistema también podría ser útil para valorar las condiciones del flujo sanguíneo en cirugías de trasplante de hígado o de riñón, así como en algunas arterias del sistema vascular del cerebro.