Capítulo 3: Antecedentes de las aplicaciones de bioimpedancia.

Transcripción

1 Capítulo 3: Antecedentes de las aplicaciones de bioimpedancia. La historia de las medidas de bioimpedancia se remonta a finales del siglo XVIII, con los experimentos realizados por Galvani. Las medidas de bioimpedancia ofrecen información acerca del tejido, siempre que éste presente algún cambio en su dimensión, en sus propiedades dieléctricas o en su conductividad. La estructura de los tejidos biológicos basados en sus propiedades eléctricas pasivas no fue estudiada hasta principios del siglo XX [21], esto demostró que los tejidos biológicos son conductores y su resistencia variaba con la frecuencia. Hoy en día cada vez son más los usos de la técnica de bioimpedancia en aplicaciones biomédicas, esto es debido principalmente a su bajo coste, su fácil manejo y a la mejora de los dispositivos electrónicos. Las aplicaciones de la bioimpedancia van desde la medida de parámetros nutricionales muy útiles para diagnosticar enfermedades o realizar una dieta apropiada, hasta la monitorización de forma continua de la frecuencia cardíaca y la velocidad del pulso de onda del corazón. En los tratamientos de enfermedades cardiovasculares, donde es común el empleo de medicamentos e implantes quirúrgicos, una monitorización continua del sistema cardiovascular puede ayudar también a prevenir enfermedades del corazón e incluso algún fallo repentino del mismo. Otra aplicación de la técnica de bioimpedancia es la detección de cambios en los tejidos biológicos, permitiendo una detección temprana, por ejemplo, de la aparición de un edema, isquemia y otras desviaciones no saludables [22]. La aplicación de este método de medida en trasplantes de tejido y órganos ha proporcionado numerosos beneficios de cara al éxito de los mismos [22]. En ocasiones se ha usado esta técnica para monitorizar pacientes durante y después de la cirugía de corazón. La medida de la bioimpedancia permite la caracterización del estado del tejido, para conseguir imágenes de diagnostico o estimar parámetros hemodinámicos [23]. Sin embargo, uno de los usos de mayor aplicación de las medidas de bioimpedancia es la estimación de la composición corporal, por ejemplo la estimación de la cantidad de grasa, masa libre de grasa o el balance de fluidos. Estos parámetros son esenciales para el diagnostico y el tratamiento de enfermedades Aplicación de la Bioimpedancia en la estimación de la composición corporal. La bioimpedancia se basa fundamentalmente en la respuesta que los tejidos biológicos presentan, en función de sus propiedades, al paso de una corriente eléctrica alterna de baja intensidad. Esta idea fue introducida por primera vez en la década de los 60 por el físico francés Thomasset, estableciendo la relación existente entre el agua total del cuerpo humano y la impedancia eléctrica. Las teorías de Thomasset mostraron la impedancia desde el punto de vista fisiológico, como respuesta del cuerpo humano al paso de una corriente eléctrica [24]. La información de la medida está relacionada con dos componentes: 1. Una componente resistiva, correspondiente a los líquidos intra y extracelular. 2. Una componente capacitiva, correspondiente a la membrana celular.

2 Estas teorías sirvieron posteriormente como base a otros investigadores que desarrollaron la técnica de bioimpedancia hasta el estado en el que actualmente se conoce. En la actualidad, la técnica de bioimpedancia es una técnica completamente validada desde el punto de vista académico, que ha logrado desarrollarse, diversificando su campo de actuación debido a las bases tan sólidas de sus principios. Los inicios del estudio de la técnica de bioimpedancia comenzaron a partir de la consideración del cuerpo humano como un único cilindro homogéneo [24]. Figura 8: Modelo del cuerpo humano como un único cilindro (Imagen adaptada de [24]). Este modelo puede ser ampliado mediante una extensión más precisa la cual consiste en considerar el cuerpo como la suma de varios cilindros conectados eléctricamente en serie, tal y como se puede observar a continuación. Figura 9: Modelo del cuerpo humano como composición de varios cilindros (Imagen adaptada de [24]). Para obtener una información aún más detallada de la composición corporal es necesario considerar la respuesta de los tejidos en función de la frecuencia de la corriente aplicada. El análisis de la composición corporal mediante la técnica de bioimpedancia se basa en la inyección

3 de una corriente eléctrica alterna de una intensidad muy baja, por debajo de los umbrales de percepción del cuerpo humano [22]. Si dispusiéramos de un dispositivo capaz de producir señales de corriente de bajas y altas frecuencias y de un sistema que nos permitiera ver el recorrido de esta corriente cuando se hace pasar por tejido biológico, podríamos observar los siguientes efectos. Si se hace pasar en primer lugar las corrientes de bajas frecuencias (BF) se observará cómo la corriente eléctrica fluye a lo largo del fluido extracelular sin ser capaz de atravesar las paredes celulares como consecuencia de los efectos capacitivos de las mismas [24]. Si posteriormente se hace pasar corriente de alta frecuencia (AF) se observará como el recorrido de la corriente eléctrica es extra e intracelular como consecuencia de que la corriente es capaz de vencer los efectos capacitivos de las membranas celulares. Figura 10: Recorrido de la corriente en función de la frecuencia.(imagen adaptada de [24]). Utilizando un dispositivo que sólo emitiera señales eléctricas a bajas frecuencias se podría disponer de información extracelular mientras que con un dispositivo que emitiera señales de corriente eléctrica a altas frecuencias se dispondría de información conjunta extra e intracelular Distinción de los medios extra e intracelular La concentración de iones disueltos en agua es distinta dentro y fuera de la célula, por este motivo se distinguen dos medios: el medio extracelular y el medio intracelular. En el medio intracelular es donde tienen lugar los procesos metabólicos del cuerpo, mientras que en el medio extracelular se suele dividir desde un punto de vista funcional y estructural en otros submedios como el plasma, fluidos intersticiales, fluidos linfáticos, etc. Las alteraciones más usuales son aquellas en las que alguno de los dos medios experimenta una variación anómala de volumen [25]. Como se ha comentado anteriormente la membrana celular presenta un carácter capacitivo, de esta manera podemos intuir que una corriente de baja frecuencia fluirá principalmente por el medio extracelular debido a la alta impedancia de la membrana, mientras que para frecuencias superiores

4 la corriente no distinguirá entre los dos medios Modelo de composición corporal Teniendo en cuenta las diferentes características de los tejidos en el ámbito corporal, son múltiples los modelos empleados a la hora de describir la composición corporal. Ésta puede ser clasificada en distintos niveles [26] (atómico, molecular, celular, sistemas y tejidos). A nivel práctico existen varios modelos para la composición corporal de los cuales algunos se muestran en la figura 11. Un ejemplo es el modelo de dos componentes en el que el cuerpo se divide en masa grasa y masa libre de grasa. Este mismo modelo se puede descomponer en modelos más complejos como también muestra la figura 11.

5 Figura 11: Modelo de composición corporal: Relación entre masa grasa y masa no grasa. (Imagen adaptada de [27]) En la figura 12 se muestra un modelo más completo del cuerpo humano muy empleado en la bibliografía. En los próximos apartados se describirán los principales compartimentos considerados en este modelo. Figura 12: Composición del cuerpo (Imagen adaptada de [28]) Masa libre de grasa (FFM (Fat-free mass)) La masa libre de grasa (MLG) o FFM (siglas en inglés) es todo lo que no es grasa corporal (Figura 12). Un gran número de ecuaciones en la literatura del análisis de bioimpedancia predicen la FFM [28]. Las primeras ecuaciones en análisis de bioimpedancia eléctrica (BIA) (datan de antes de 1987) solo incluían altura 2 /resistencia. Más tarde las ecuaciones comenzaron a incluir otros parámetros como el peso, la edad, el género, la reactancia y las medidas antropométricas del tronco y/o de las

6 extremidades para mejorar la exactitud de la predicción Agua Total Corporal (ATC), agua extracelular (AEC) y agua intracelular (AIC). El ATC es el agua total que contiene nuestro cuerpo. Este compartimento se podría dividir en otros dos medios como se puede ver en la figura 12: el agua extracelular y el agua intracelular. El agua extracelular es la cantidad de agua que el cuerpo humano dispone fuera de las células, en cambio el agua intracelular son los fluidos que se encuentran dentro de la membrana celular. La suma de estos dos medios (agua intracelular y agua extracelular) es el ATC. De acuerdo a Ellis et al. las técnicas de medida de bioimpedancia en una sola frecuencia (SF-BIA) reflejan principalmente el espacio AEC o el cociente AEC/ATC, el cual puede ser utilizado en el diagnóstico de un edema o una malnutrición. La medida de bioimpedancia en múltiples frecuencias (MF-BIA) parece ser sensible a variaciones tanto del AEC como del AIC, incluso si no hay cambios significativos en el peso del cuerpo. Por otro lado, el modelo SF-BIA parece ser sensible a los cambios en AIC, pero no a los cambios del AEC. Este modelo puede tener limitaciones de uso para estimar FFM (materia sin grasa) o la grasa corporal cuando hay un estado anormal de hidratación. O Brien et al. descubrieron que los métodos comunes de BIA (SF-BIA y MF-BIA) no son lo suficientemente precisos para estimar el ATC bajo condiciones de cambios de hidratación. Para evitar estos problemas, algunos autores han propuesto modelos más elaborados de estimación de los fluidos corporales basados en la técnica de medida de bioimpedancia en múltiples frecuencias, pero apoyada sobre un modelo de Cole-Cole. Este modelo de Cole-Cole es el modelo que se considera más preciso y exacto para la estimación de AEC y AIC Masa celular corporal (MCC) Mientras que FFM es todo lo que no es grasa en el cuerpo, no hay consenso sobre el significado fisiológico de las medidas de la masa celular, o tejidos metabólicamente activos y su relación con el AIC. La MCC es rica en proteínas y le afectan los estados catabólicos. Además, una pérdida de MCC se asocia normalmente con pobres resultados clínicos. En los pacientes con sobre-hidratación, incluso una evaluación de la FFM podría no detectar una malnutrición proteínica relevante por la expansión de AEC. Estimar el tamaño es difícil ya que es un compartimento complejo. Esto se conseguiría comprimiendo todas las células no-adiposas. En pacientes con seria sobrecarga de fluidos, como pacientes con ascitis o enfermos renales, las diferencias individuales de la hidratación del tejido magro son probablemente demasiado altas para desarrollar ecuaciones uniformes que permitan evaluar la MCC. Pirlich concluyó que a pacientes con altas alteraciones de la geometría del cuerpo o del estado de hidratación, la aplicación del estándar BIA no es apropiada para evaluar la MCC. Ward y Heitmann evaluaron MCC y AEC por técnicas BIA sin la necesidad de la medida del peso,

7 encontrando diferencias significantes entre los valores y el ancho de los límites. De acuerdo a lo comparado con los datos de referencia de MCC y AEC, no fue posible predecir esos compartimientos del cuerpo sin la inclusión de la altura a pesar de las obvias ventajas de no requerir una medida exacta de la altura [28].