Tecnología de radar innovadora para el monitoreo de insuficiencia cardíaca

La insuficiencia cardiaca (IC) es una condición seria donde el corazón no puede bombear suficiente sangre para satisfacer las necesidades del cuerpo. Esto puede suceder si el corazón no se llena con suficiente sangre o si no puede bombearla de manera efectiva. Como resultado, órganos vitales como el cerebro, el hígado y los riñones pueden no funcionar correctamente. En Australia, alrededor del 15% de las visitas al hospital son por insuficiencia cardiaca, lo que lleva a casi 150,000 estancias en hospitales cada año y cuesta más de 350 millones de dólares en atención hospitalaria.

Se espera que el impacto financiero de la insuficiencia cardiaca crezca a medida que la población australiana envejece, similar a las tendencias observadas en muchos países del mundo.

#Insuficiencia Cardiaca Derecha y Congestión Venosa

La insuficiencia cardiaca derecha está relacionada con la congestión venosa, donde la sangre se acumula en las venas. Los síntomas de esta condición suelen desarrollarse lentamente, lo que hace crucial estudiar cómo funciona el lado derecho del corazón. Una herramienta importante utilizada para evaluar la salud del corazón es el Pulso Venoso Yugular (PVY). El PVY mide la presión venosa a través de las venas yugulares, que van desde la cabeza hasta el corazón.

La forma del PVY consta de cinco fases distintas:

1. La onda 'a': Representa la contracción de la aurícula derecha.
2. El descenso 'x': Indica la relajación auricular.
3. La onda 'c': Surge de la contracción del ventrículo derecho.
4. El segundo descenso 'x': Refleja el movimiento hacia abajo de la válvula tricúspide.
5. La onda 'v': Significa el llenado venoso.
6. El descenso 'y': Muestra el flujo rápido de la aurícula al ventrículo.

Monitorear el PVY proporciona información sobre la condición del corazón y los pulmones.

#Técnicas Actuales de Monitoreo para el PVY

Tradicionalmente, medir el PVY ha sido invasivo y requiere personal médico capacitado. Los métodos típicos implican colocar un catéter en la vena yugular interna derecha o en la vena subclavia, lo que puede llevar a complicaciones si no se maneja correctamente. Debido a estos riesgos, los profesionales médicos necesitan un método rápido y no invasivo para monitorear el PVY. Un fácil acceso a esta tecnología puede ayudar con la detección temprana de la insuficiencia cardiaca tanto en casa como en hospitales.

#Limitaciones de los Métodos Actuales

Los estudios están explorando el uso de la pletismografía, una técnica no invasiva para estimar el PVY. Sin embargo, depende de propiedades específicas de la piel y los tejidos, lo que puede complicar su uso si el paciente se mueve o cambia de posición. La tecnología de radar ha surgido como una alternativa prometedora, mostrando efectividad en el monitoreo de signos vitales como la frecuencia cardiaca y la presión arterial.

Las tecnologías de radar de microondas, especialmente a 24 GHz y 900 MHz, se han investigado para mediciones del PVY. El radar de 900 MHz puede no proporcionar el detalle necesario para un análisis preciso del PVY, mientras que el radar de 60 GHz es preferido por su mayor resolución, lo que permite una mejor detección de movimientos sutiles asociados con la forma del PVY.

#Ventajas de la Tecnología de Radar de 60 GHz

El radar de 60 GHz de Infineon Technologies tiene un diseño de antena avanzado que reduce la interferencia. Esta tecnología es flexible y se puede adaptar a diferentes necesidades. La investigación utilizando el simulador Sim4Life de ZMT Zurich MedTech mostró que el radar de alta frecuencia es efectivo en la estimación del PVY, ya que la vena yugular externa está cerca de la superficie de la piel.

Esta proximidad significa que un radar de mayor frecuencia puede enfocar sus efectos de manera más efectiva, resultando en mediciones precisas justo debajo de la piel.

#El Papel de la Tecnología de Radar FMCW

Este estudio propone usar tecnología de radar de Onda Continua Modulada en Frecuencia (FMCW) para la extracción no invasiva del PVY. FMCW ofrece mejor sensibilidad y resolución, lo que es beneficioso para pacientes que pueden ser readmitidos frecuentemente en hospitales. Esta tecnología permite mediciones autoadministradas que podrían reducir las tasas de readmisión hospitalaria al permitir intervenciones tempranas.

#Investigación Relacionada sobre Métodos de Medición del PVY

La investigación ha explorado varias técnicas para evaluar el PVY, categorizadas como métodos invasivos, No invasivos de contacto y no de contacto.

#Método Invasivo

El método invasivo más común es la cannulación, donde se coloca un catéter en una vena. Este método, considerado el estándar de oro, requiere personal calificado y puede llevar a complicaciones.

#Método No Invasivo de Contacto

Los métodos no invasivos incluyen técnicas de monitoreo intermitente y continuo. El monitoreo continuo es esencial para el cuidado remoto del paciente. Se han explorado métodos que utilizan sensores de presión, ultrasonido y PPG óptico (fotopletismografía).

Un estudio utilizó PPG de contacto por reflectancia para rastrear el PVY colocando un sensor en la parte superior del pecho. Aunque prometedor para la portabilidad, la inclusión de una cámara infrarroja añade complejidad y costo. Otra técnica utilizó sensores de acelerómetro para detectar vibraciones en la vena yugular y la arteria carótida, pero el movimiento puede hacer que este método sea poco confiable, especialmente en pacientes obesos.

Se ha propuesto un sensor de RF de campo cercano portátil para permitir la detección no invasiva del PVY. Si bien es conveniente, tiene dificultades para proporcionar cuantificación precisa debido a su metodología de medición de un solo punto.

#Método No Invasivo No de Contacto

La PPG basada en imágenes ha surgido como un enfoque no de contacto para la evaluación del PVY. Los pacientes pueden permanecer cómodos, pero este método requiere una posición específica, lo que dificulta el monitoreo a largo plazo.

Realizar imágenes por ultrasonido de la vena yugular interna (VJI) también ha sido efectivo al lado de la cama. Sin embargo, el ultrasonido requiere equipo especializado y personal capacitado, lo que limita su uso.

Otro estudio desarrolló un prototipo de sistema no de contacto utilizando radar de microondas. El desafío con este enfoque es que interpretar las señales de pulso puede ser subjetivo, lo que dificulta la estandarización.

#Desafíos con el Monitoreo del PVY

Monitorear el PVY es vital debido a su capacidad para reflejar cambios en la presión venosa. Los valores normales oscilan entre 4 y 6 mm Hg. Sin embargo, la pequeña magnitud de las señales del PVY puede llevar a pasarlas por alto, lo que complica el monitoreo. La medición precisa del PVY requiere alta sensibilidad para capturar estas señales sutiles sin obstruir la vena.

El interés reciente en los sensores de radar de microondas ha crecido. Este método permite el monitoreo no de contacto de signos vitales, permitiendo detectar pequeños movimientos superficiales de actividades cardíacas y respiratorias. Se pueden ajustar las configuraciones de la antena para enfocar áreas específicas del cuerpo. Las aplicaciones prácticas de este método han incluido radar de microondas montado en el techo que detecta tasas respiratorias a través de materiales de cama.

#Radar de Microondas para Monitoreo del PVY

La investigación ha mostrado que las técnicas de radar de onda continua y radar FMCW alinean con las necesidades para mediciones del PVY. Este uso de tecnología de radar puede asegurar que los pacientes experimenten menos estrés fisiológico mientras se proporciona un acceso más fácil al monitoreo, especialmente para aquellos en áreas remotas.

Nuestro estudio tiene como objetivo confirmar la efectividad de un enfoque de radar FMCW no invasivo para la medición del PVY, desarrollando un sistema y evaluando su rendimiento a través de datos experimentales.

#Entendiendo los Sistemas RF FMCW

Los sistemas de radar FMCW operan de manera diferente a los radares de onda continua tradicionales. Logran resolución de rango emitiendo una señal que varía en frecuencia. Cuando esta señal encuentra un objeto, se refleja de vuelta como un eco. Esta señal reflejada se procesa para determinar la distancia al objetivo.

El sistema consta de un transmisor que envía una señal modulada en frecuencia y un receptor que captura la señal de retorno. Al comparar las frecuencias transmitidas y recibidas, el sistema puede determinar el rango del objetivo.

#Configuración de Simulación para Medición del PVY

Para simular el impacto del radar en el área del cuello, utilizamos un método computacional basado en el dominio del tiempo por diferencias finitas (FDTD) a través de software. Se creó un modelo humano realista, segmentado en varios tejidos corporales.

Al examinar el área del cuello, nos enfocamos en la vena yugular externa, que está cerca de la superficie de la piel. Esta ubicación permite mediciones efectivas del PVY a través del desplazamiento de la piel.

#Especificaciones del Radar

El radar elegido para este estudio es rentable y opera dentro del rango de 60 GHz. Tiene un transmisor y tres receptores que están colocados en ángulos óptimos para un rendimiento óptimo. El diseño del sensor de radar le permite detectar pequeños movimientos, lo que lo hace adecuado para estimar el PVY.

#Configuración de Datos y Medición del Radar

Los datos de radar recolectados durante las mediciones están organizados en una estructura tridimensional. Los datos se procesan para obtener información sobre la distancia y la velocidad del objeto. Este procesamiento es necesario para rastrear el PVY con precisión.

#Configuración Experimental para Recolección de Datos

Se recolectaron datos de un participante posicionado en varios ángulos para evaluar la vena yugular. El radar se colocó correctamente para evitar interferencias mientras se aseguraban mediciones precisas. La posición del cuerpo del participante impactó la visibilidad del PVY, lo que hizo crucial encontrar el ángulo correcto.

#Análisis de Datos y Procesamiento de Señales

El proceso de detección del PVY implica convertir datos en bruto en una forma más utilizable. Al aplicar técnicas como la Transformada Rápida de Fourier (FFT), podemos aislar señales específicas de interés, como el PVY.

Los cambios del PVY ocurren durante el ciclo cardíaco, reflejando diferencias sutiles en la presión. Esto puede ser complicado de detectar, por lo que se utilizó un simulador de signos vitales para ayudar a estandarizar las mediciones, permitiendo una comparación más fácil en los experimentos.

#Extracción de Señales del PVY

El PVY a veces puede superponerse con señales más fuertes de otras actividades fisiológicas, lo que dificulta extraer formas de onda claramente definidas. Esto puede oscurecer los datos, pero implementamos filtros diseñados para reducir la interferencia de otras señales.

Al examinar la dirección desde la cual llegaron las señales, pudimos analizar mejor el PVY. El objetivo era establecer una comprensión clara de los tiempos y diferencias de amplitud en las señales.

#Resultados y Hallazgos

Nuestros hallazgos indicaron que el radar realizó efectivamente mediciones no invasivas del PVY. La selección del radar de 60 GHz se justificó debido a su alta resolución y capacidad para detectar pequeños movimientos de la piel. Establecimos parámetros óptimos para realizar estas mediciones de manera efectiva.

La posición del radar en relación con el participante fue crítica. Si se colocaba demasiado cerca, podía difuminar la señal, pero si estaba demasiado lejos, no capturaría el PVY con precisión.

Una evaluación adicional reveló que era necesario ajustar las configuraciones del radar para garantizar lecturas de PVY de alta calidad.

#Conclusión y Direcciones Futuras

Este estudio muestra el potencial de usar un radar FMCW de 60 GHz para estimar el PVY de manera no invasiva. Si bien quedan desafíos, nuestros hallazgos demuestran que esta tecnología puede mejorar significativamente la detección temprana de la insuficiencia cardiaca. Al ofrecer una herramienta valiosa para clínicos y pacientes, especialmente en áreas remotas, podría ayudar a reducir las admisiones hospitalarias. La investigación futura profundizará en estos hallazgos con un grupo más grande de sujetos. En general, el potencial de esta tecnología es prometedor y podría llevar a una mejor gestión de la insuficiencia cardiaca de una manera más accesible.