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

Resumo Técnico: Base para uma Medição de Fluxo Sanguíneo Sem Mãos com Foco Automático em Vasos

Definição do Problema
A ressuscitação cardiopulmonar (RCP) é crítica para manter o suprimento de oxigênio durante a parada cardíaca, mas a qualidade das compressões torácicas e o fluxo sanguíneo resultante são atualmente inconsequíveis em tempo real. Embora existam diretrizes para frequência e profundidade de compressão, elas não garantem um fluxo sanguíneo cerebral adequado. O monitoramento invasivo é inviável durante a ressuscitação, e os métodos atuais de ultrassom não invasivos exigem perícia manual significativa, tempo e operação manual, o que impede seu uso em cenários de emergência. As soluções comerciais atuais carecem de opções robustas de montagem sem mãos para o pescoço durante a RCP e frequentemente dependem de onda contínua (CW) Doppler, que não consegue isolar volumes de amostra (SV) específicos ou compensar mudanças no ângulo do vaso, levando a potenciais erros de quantificação. Há uma carência de ferramentas automatizadas e não invasivas para medir o fluxo da artéria carótida comum (ACC) para guiar os socorristas e fornecer dados prognósticos.

Metodologia
Os autores propõem um sistema composto por uma sonda de sensor customizada e um software de análise automatizado projetado para medições de Doppler de Onda Pulsada (PW).

• Hardware: A inovação central é uma sonda de sensor contendo três elementos piezoelétricos com orientações de ângulos não simétricos (25°, 0° e -12° em relação à normal da superfície da sonda). O invólucro da sonda é de poliactídeo, com preenchimento de polieteretercetona (PEEK) no caminho do som. O sistema conecta-se a uma unidade de computação através de três módulos de ultrassom, permitindo o acionamento sincronizado e independente de pulsos para cada cerâmica.
• Configuração Experimental: A avaliação foi conduzida utilizando um fantoma de pescoço contendo um vaso de 8 mm de diâmetro preenchido com fluido Doppler, operado por uma bomba mecânica a 60 BPM. Um sensor de fluxo de referência (VISION 1005 2F66) forneceu os dados de verdade fundamental (ground truth).
• Protocolo de Medição: O sistema opera em três modos sequenciais:
  1. Modo Inicial: Utiliza um volume de amostra (SV) grande com o transdutor de 25° para escanear rapidamente a cobertura do vaso. Se nenhum fluxo periódico for detectado, a posição é considerada inadequada.
  2. Modo Iterativo: Uma vez encontrada uma posição viável, o sistema realiza um escaneamento dependente da profundidade com SVs menores (duração de 2 µs, com passos de 2 µs). As três cerâmicas atuam como receptoras enquanto uma atua como transmissora, alternando entre todas as combinações. Um algoritmo de pontuação ($P_{Score}$) avalia a periodicidade e a potência do sinal Doppler para identificar a profundidade ideal e o par transmissor-receptor.
  3. Modo de Monitoramento: Utilizando a configuração ideal identificada no modo iterativo, o sistema calcula a velocidade do fluxo sanguíneo. Para abordar o ângulo Doppler desconhecido, o sistema emprega um método de "substituição do ângulo Doppler". Ao comparar os desvios de frequência entre pares de transdutores com ângulos fixos conhecidos, o sistema deriva matematicamente a velocidade do fluxo sem a necessidade de conhecer o ângulo exato do vaso.
• Análise de Dados: Os sinais foram processados usando MATLAB para gerar espectrogramas e calcular envelopes via Método Geométrico Modificado (MGM). A velocidade do fluxo foi convertida em fluxo volumétrico usando o raio do vaso do fantoma. O desempenho foi avaliado pelo coeficiente de determinação ($R^2$), coeficiente de correlação de Pearson e Erro Quadrático Médio (RMSE) contra o sensor de fluxo de referência.

Principais Contribuições

• Identificação Automática de Vasos: O artigo apresenta um método para identificar automaticamente a cobertura do vaso e a profundidade ideal sem ajuste manual de parâmetros, utilizando um arranjo de transdutores de múltiplos ângulos.
• Cálculo de Fluxo Independente de Ângulo: Uma abordagem matemática inovadora é introduzida para substituir o ângulo Doppler desconhecido, aproveitando a relação geométrica fixa entre os três transdutores, permitindo a quantificação do fluxo sem conhecimento de alinhamento preciso.
• Protótipo Sem Mãos: O desenvolvimento de um design de sonda específico destinado à fixação sem mãos, abordando as limitações dos dispositivos de ultrassom portáteis atuais que exigem segurar manualmente.

Resultos

• Detecção de Vaso: O modo inicial distinguiu com sucesso posições com e sem cobertura de vaso. As Posições 1 e 3 não mostraram reflexões significativas, enquanto a Posição 2 mostrou forte correlação entre o envelope Doppler e o fluxo de referência.
• Otimização de Profundidade: O modo iterativo identificou com sucesso a profundidade do vaso. A pontuação de potência máxima ocorreu em uma profundidade de SV de 15,75 mm (12 mm após subtrair a distância interna da sonda), o que se alinhou com o centro do vaso observado em imagem B-Mode.
• Quantificação de Fluxo: No modo de monitoramento, as curvas de fluxo calculadas demonstraram alta concordância com o sensor de referência.
  • Correlação: O coeficiente de determinação ($R^2$) variou de 0,96 a 0,98 (média de 0,97).
  • Coeficiente de Correlação: Os valores variaram de 0,98 a 0,99 (média de 0,98).
  • Erro: O Erro Quadrático Médio (RMSE) médio foi de 3,84 ml/s.
• Limitações Observadas: Os autores notaram discrepâncias nas formas das curvas de fluxo (especificamente durante a aceleração/desaceleração do fluxo) atribuídas ao efeito "Windkessel" na tubulação elástica do fantoma, em vez de apenas erro de medição.

Significância e Alegações
O artigo afirma estabelecer uma "base para desenvolvimentos futuros" em direção à identificação de vasos e cálculo de fluxo sanguíneo totalmente automatizados durante a RCP. Os autores afirmam que a solução de hardware e software proposta demonstrou com sucesso a viabilidade de:

1. Identificar posições de medição valiosas para o Doppler de onda pulsada da carótida.
2. Realizar parametrização automática durante a atividade de fluxo periódico.
3. Quantificar o fluxo medido dentro de um pequeno volume de amostra.

Os autores enfatizam que, embora o sistema atual seja um demonstrador de laboratório, o método distingue-se das soluções existentes ao permitir a análise automática detalhada da localização e direção do vaso através de ângulos de cerâmica fixos e não simétricos. Eles sugerem que uma versão miniaturizada integrada a um estabilizador de pescoço poderia fornecer feedback vital e em tempo real sobre a eficiência da RCP, potencialmente melhorando a terapia para pacientes em parada cardíaca. O trabalho é apresentado como um passo fundamental, reconhecendo que validação clínica adicional e miniaturização de hardware são necessárias antes da implantação clínica.