Basis for a hands free blood flow measurement with automated vessel focus

Resumen Técnico: Base para la Medición del Flujo Sanguíneo Manos Libres con Enfoque Automático de Vasos

Planteamiento del Problema
La reanimación cardiopulmonar (RCP) es crítica para mantener el suministro de oxígeno durante el paro cardíaco, sin embargo, la calidad de las compresiones torácicas y el flujo sanguíneo resultante son actualmente incuantificables en tiempo real. Aunque existen guías para la frecuencia y profundidad de la compresión, estas no garantizan un flujo sanguíneo cerebral adecuado. El monitoreo invasivo es inviable durante la reanimación, y los métodos actuales de ultrasonido no invasivos requieren una pericia manual significativa, tiempo y operación manual, lo que impide su uso en escenarios de emergencia. Las soluciones comerciales actuales carecen de opciones robustas de montaje manos libres para el cuello durante la RCP y a menudo dependen de la onda continua (CW) Doppler, la cual no puede aislar volúmenes de muestra (SV) específicos o compensar los cambios de ángulo del vaso, lo que conduce a posibles errores de cuantificación. Existe una falta de herramientas automatizadas y no invasivas para medir el flujo de la arteria carótida común (ACC) para guiar a los primeros intervinientes y proporcionar datos pronósticos.

Metodología
Los autores proponen un sistema que comprende una sonda de sensor personalizada y un software de análisis automatizado diseñado para mediciones Doppler de Onda Pulsada (PW).

• Hardware: La innovación central es una sonda de sensor que contiene tres elementos piezoeléctricos con orientaciones de ángulos no simétricos (25°, 0° y -12° respecto a la normal de la superficie de la sonda). La carcasa de la sonda es de poliacturo, con relleno de poliéter-éter-cetona (PEEK) en la trayectoria del sonido. El sistema se conecta a una unidad de cómputo mediante tres módulos de ultrasonido, lo que permite la activación sincronizada e independiente de los pulsos para cada cerámica.
• Configuración Experimental: La evaluación se realizó utilizando un fantoma de cuello que contenía un vaso de 8 mm de diámetro lleno de fluido Doppler, impulsado por una bomba mecánica a 60 LPM. Un sensor de flujo de referencia (VISION 1005 2F66) proporcionó los datos de verdad de terreno.
• Protocolo de Medición: El sistema opera en tres modos secuenciales:
  1. Modo Inicial: Utiliza un volumen de muestra (SV) grande con el transductor de 25° para escanear rápidamente la cobertura del vaso. Si no se detecta un flujo periódico, la posición se considera inadecuada.
  2. Modo Iterativo: Una vez encontrada una posición viable, el sistema realiza un escaneo dependiente de la profundidad con SV más pequeños (duración de 2 µs, escalonados por 2 µs). Las tres cerámicas actúan como receptoras mientras una actúa como transmisora, ciclando a través de todas las combinaciones. Un algoritmo de puntuación ($P_{Score}$) evalúa la periodicidad y la potencia de la señal Doppler para identificar la profundidad óptima y el par transmisor-receptor.
  3. Modo de Monitoreo: Utilizando la configuración óptima identificada en el modo iterativo, el sistema calcula la velocidad del flujo sanguíneo. Para abordar el ángulo Doppler desconocido, el sistema emplea un método de "sustitución del ángulo Doppler". Al comparar los desplazos de frecuencia entre pares de transductores con ángulos fijos conocidos, el sistema deriva matemáticamente la velocidad del flujo sin necesidad de conocer el ángulo exacto del vaso.
• Análisis de Datos: Las señales fueron procesadas utilizando MATLAB para generar espectrogramas y calcular envolventes mediante el Método Geométrico Modificado (MGM). La velocidad del flujo se convirtió a flujo volumétrico utilizando el radio del vaso del fantoma. La performance fue evaluada utilizando el coeficiente de determinación ($R^2$), el coeficiente de correlación de Pearson y el Error Cuadrático Medio (RMSE) contra el sensor de flujo de referencia.

Contribuciones Clave

• Identificación Automática de Vasos: El artículo presenta un método para identificar automáticamente la cobertura del vaso y la profundidad óptima sin ajuste manual de parámetros, utilizando un arreglo de transductores de múltiples ángulos.
• Cálculo de Flujo Independiente del Ángulo: Se introduce un novedoso enfoque matemático para sustituir el ángulo Doppler desconocido aprovechando la relación geométrica fija entre los tres transductores, permitiendo la cuantificación del flujo sin conocimiento de la alineación precisa.
• Prototipo Manos Libres: El desarrollo de un diseño de sonda específico destinado al montaje manos libres, abordando las limitaciones de los dispositivos de ultrasonido portátiles actuales que requieren sujeción manual.

Resultados

• Detección de Vasos: El modo inicial distinguió con éxito entre posiciones con y sin cobertura de vasos. Las Posiciones 1 y 3 no mostraron reflexiones significativas, mientras que la Posición 2 mostró una fuerte correlación entre la envolvente Doppler y el flujo de referencia.
• Optimización de Profundidad: El modo iterativo identificó con éxito la profundidad del vaso. La puntuación de potencia máxima ocurrió en una profundidad de SV de 15.75 mm (12 mm tras restar la distancia interna de la sonda), lo cual se alineó con el centro del vaso observado en la imagen B-Mode.
• Cuantificación de Flujo: Las curvas de flujo calculadas en el modo de monitoreo demostraron una alta concordancia con el sensor de referencia.
  • Correlación: El coeficiente de determinación ($R^2$) osciló entre 0.96 y 0.98 (promedio de 0.97).
  • Coeficiente de Correlación: Los valores oscilaron entre 0.98 y 0.99 (promedio de 0.98).
  • Error: El RMSE promedio fue de 3.84 ml/s.
• Limitaciones Observadas: Los autores notaron discrepancias en las formas de las curvas de flujo (específicamente durante la aceleración/desaceleración del flujo) atribuidas al efecto "Windkessel" en el tubo elástico del fantoma, en lugar de un error de medición únicamente.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma establecer una "base para desarrollos futuros" hacia la identificación de vasos y el cálculo de flujo sanguíneo totalmente automatizados durante la RCP. Los autores sostienen que las soluciones de hardware y software propuestas demostraron con éxito la viabilidad de:

1. Identificar posiciones de medición valiosas para el Doppler de onda pulsada de la carótida.
2. Realizar la parametrización automática durante la actividad de flujo periódico.
3. Cuantificar el flujo medido dentro de un volumen de muestra pequeño.

Los autores enfatizan que, si bien el sistema actual es un demostrador de laboratorio, el método se distingue de las soluciones existentes al permitir el análisis automático detallado de la ubicación y dirección del vaso a través de ángulos de cerámica fijos y no simétricos. Sugieren que una versión miniaturizada integrada en un estabilizador de cuello podría proporcionar retroalimentación vital y en tiempo real sobre la eficiencia de la RCP, mejorando potencialmente la terapia para pacientes en paro cardíaco. El trabajo se presenta como un paso fundacional, reconociendo que se requiere una mayor validación clínica y miniaturización del hardware antes de su despliegue clínico.