Nuevo Método de Registro en Seres Humanos. Variabilidad de la Frecuencia Cardiaca

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1 Nuevo Método de Registro en Seres Humanos. Variabilidad de la Frecuencia Cardiaca A New Method of Registration in Human Beings. Heart Rate Variability. Juan Carlos Lizarazo* Luis Eduardo Cruz Martínez** Resumen Este trabajo estandariza una manera de obtener la medida de la Variabilidad de la Frecuencia Cardiaca (VFC) en 34 hombres jóvenes, consumidores de cigarrillo, se diseñó e implementó el hardware y el software que finalizó en una aplicación en LabVIEW, que permitió obtener de manera confiable y a bajo costo los índices indicadores de la VFC en un registro continuo, válido, de 5 minutos de duración, denominado intervalo basal. Para tal fin se dividió el estudio en 3 procedimientos. En primer lugar, se diseño un electro-cardiógrafo portátil (mediante un acondicionador de pequeña señal, APS), usando para su diseño e implementación circuitos integrados (CI) de Analog Devices (AD, fabricante de los CI más confiables para equipos biomédicos), obteniendo así el registro análogo ECG nativo, con corte en altas frecuencias (Low Pass Filter - LPF) de 150 Hz, corte en bajas frecuencias (High Pass Filter - HPF) de 0.01 Hz y una ganancia de En segundo lugar, se desarrolló una nueva aplicación, no publicada, con el programa de computador LabVIEW, mediante la cual se digitalizó la señal análoga del ECG nativo, con un muestreo de 10 KHz, filtros digitales en 60 Hz y pasabanda de Hz, con ajuste de ganancia digital de De esta manera, se generó una tabla de datos con los periodos en ms. de los intervalos R-R adyacentes en tiempo real, procedentes del registro ECG nativo de superficie en derivación DII. La anterior tabla fue guardada en formato.lvm, generada directamente por LabVIEW. En tercer lugar, se usó el programa de computador Software for Advanced VFC Analysis mediante el cual se obtuvieron los índices de medida de la VFC. De esta manera, se obtuvieron los índices en el dominio del tiempo: MEANRR, STDRR, RMSSD, NN50 y pnn50, y en el dominio de la frecuencia: LF ( Hz), HF ( Hz) y LF/HF, mediante los cuales se obtuvo la medida de la VFC en tiempo real para los 34 sujetos. Abstract This work standarized the measure of the of heart rate variability (HRV, Heart Rate Variability) in 34 young men from smoking, was designed and implemented the hardware and software that ended in a application in LabVIEW software which resulted in reliably and inexpensively indices indicators of VFC in a valid 5-minute continuous recording, interval called the baseline. To this end the study was divided into 3 procedures. First, it design a portable electrocardiograph (through a small signal conditioner, APS), using for its design and implementation of chips (IC) from Analog Devices (AD, a manufacturer of IC more reliable for biomedical equipment), thereby ECG recording analogue native, with filter at high frequencies (Low Pass Filter - LPF) 150 Hz, filter at low-frequency (High Pass Filter - HPF) from 0.01 Hz and a gain of Secondly, a new application with the computer program LabVIEW, which digitize the analog signal of ECG native, with a sampling of 10 khz, digital filters at 60 Hz and filter from Hz, with digital gain setting of In this way, it generated a data table with the periods in ms of the R-R intervals adjacent in real time recording from the native surface ECG in derivation DII. The previous table was saved in.lvm generated directly by LabVIEW. Thirdly, we used the computer program for Advanced Software VFC Analysis by which were obtained indices measure of VFC. In this way, the indices were obtained in the time domain: MEANRR, STDRR, RMSSD, NN50 and pnn50, and in the frequency domain: LF ( Hz), HF ( Hz) and LF / HF, which was obtained by the measure of VFC in real time for the 34 subjects. Key words: heart rate variability, ECG, conditioner small signal, digital signal processing, electronic filters, tachogram. Palabras claves: Variabilidad de la Frecuencia Cardiaca, ECG, acondicionador de pequeña señal, procesamiento digital de señales, Filtros electrónicos, tacograma. Recibido: 04/08/08. Evaluado: 04/11/08. Aceptado: 06/11/08. * M.Sc. ** M.D. 103

2 I. INTRODUCCIÓN La Variabilidad de la Frecuencia Cardiaca (VFC) es una variable fisiológica que se encuentra implícita a la frecuencia cardiaca (FC) y conceptualmente brinda información adicional a la que puede brindar la FC, dicha información, se puede asociar directamente con la fisiología de funcionamiento del sistema nervioso autónomo[1-4] (SNA), de tal forma, que la VFC esta íntimamente ligada con la modulación simpáticoparasimpático del corazón. Por lo anterior, se han encontrado asociaciones de los diferentes índices de medida de la VFC y la modulación del SNA, así, los índices de la VFC se pueden analizar por diferentes modelos matemáticos para obtener, una medida que nos brinde información de la modulación simpático-parasimpático [5]. Los modelos matemáticos que se analizan en estos estudios, analizan la VFC tanto en el dominio del tiempo como en el dominio de la frecuencia para obtener así, información teórica de dos fuentes diferentes, lo cual brinda una herramienta teórica más confiable en el momento de analizar los resultados obtenidos en diferentes investigaciones. Por otro lado, un predominio del sistema nervioso simpático sobre el parasimpático, trae graves consecuencias en la buena función circulatoria, debido a que incrementa los riesgos cardiovasculares y puede ser además de esto, promotor de patologías asociadas a la muerte súbita, de la misma manera, es importante aclarar, que la correcta modulación simpático-parasimpático, por parte del SNA, permite alternancias de estos subsistemas de tal forma que puede prevalecer uno sobre el otro, dependiendo de variables externas, como por ejemplo, situaciones que ponen al sujeto en condiciones de alerta o calma [6-9]. El objetivo del presente trabajo es mostrar el diseño de un sistema de registro y captura de los intervalos R-R para obtener la VFC en sujetos hombres, jóvenes, asintomáticos, pero fumadores regulares, y que puede ser analizado con los estadísticos que trae el paquete Software for VFC Analisys. II. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. ELECCIÓN DE LOS VOLUNTARIOS Por medio de charlas informativas, se seleccionaron 34 voluntarios, hombres jóvenes consumidores de cigarrillo entre los 18 y 25 años de edad. Una vez aprobado por el Comité de Ética de la Facultad de Medicina y firmado el consentimiento informado, los sujetos fueron citados en grupos de cinco para la toma de un registro basal de ECG completo, toma de exámenes de laboratorio (glicemia y cuadro hemático) y anamnesis. Los anteriores exámenes médicos y registros, permitieron cumplir con los criterios de inclusión y exclusión, los cuales permitieron poner en evidencia posibles patologías que alteraran el valor basal de la VFC [11]. Luego se citaron para la toma del registro de los índices de medida de la VFC en horas de la mañana y ayuno en grupos de cinco voluntarios[10] ADQUISICIÓN DE DATOS: DISEÑO DEL ELECTROCARDIÓGRAFO Se diseñó un ECG portátil, basado en tecnología de los laboratorios de AD, con ganancia lineal de 2000, HPF en 0.01 Hz y LPF en 150Hz. Esto permitió tomar un registro análogo en tiempo real del registro ECG nativo para cada uno de los 34 voluntarios. Este registro ECG análogo, fue convertida en lenguaje de máquina por medio de un conversor análogo-digital (CAD), 6008 de National Instruments a través del puerto serial universal (USB) de un computador portátil de última generación. El anterior procedimiento se encuentra sujeto a las recomendaciones internacionales que estandarizan los criterios de diseño para sistemas de registro de la VFC [11]. En la Fig. 1, se aprecia el esquema de diseño [11]. Figura 1. Electrocardiógrafo portátil. Circuito correspondiente al diseño del acondicionador de pequeña señal (APS), el cual se implementó para registrar señales electrocardiográficas (ECG) de superficie en humanos ECG ANÁLISIS EN EL DOMINIO DEL TIEMPO La medida de la VFC se puede realizar con estadísticos en el dominio del tiempo, los cuales se conocen como índices de medida de la VFC y corresponden a MRR (promedio de los intervalos R-R, ms), STDRR (desviación estándar de los intervalos R-R, ms), RMSSD (desviación estándar de la raíz cuadrada de las diferencias de los promedios al cuadrado de los intervalos R-R, ms), NN50 (cantidad de intervalos R-R adyacentes mayores de 50 ms, conteo) y pnn50 (NN50 dividido por el total de intervalos R-R, %). 104

3 2.4. ANÁLISIS EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA En el dominio de la frecuencia los índices de medida de la VFC correspondieron a LF (Potencia del componente de baja frecuencia del tacograma, ms2), HF (Potencia del componente de alta frecuencia del tacograma, ms2) y LF/HF (%). Los anteriores índices se obtuvieron mediante la transformada rápida de Fourier (FFT) y mediante el modelo de autoregresión (AR). El registro análogo ECG fue digitalizado, para luego ser sometido a un procesamiento digital de señales (DSP), por medio del software LabVIEW, con un filtro digital de 60 Hz y un filtro digital pasabanda de 0.01 Hz 150 Hz, ganancia digital ajustable lineal de 1000 y muestreo de En la Fig. 3, se aprecia el registro ECG nativo digitalizado[10-11]. La obtención de los índices de medida de la VFC tanto en el dominio del tiempo, como en el dominio de la frecuencia, se obtuvieron del tacograma generado por los periodos de los intervalos R-R. El tacograma generado se aprecia en la Fig. 2 [16-20]. (a) TACOGRAMA (b) HISTOGRAMA Figura 2. En (a) se aprecia la gráfica correspondiente al tacograma obtenido en uno de los sujetos, en el eje de las variables dependientes se encuentra la duración en ms. para cada uno de los intervalos R-R registrados. En el eje de las variables independientes, se registra el tiempo total de duración del intervalo de medida (5 min.) en s. En (b) se aprecia el histograma de la distribución de los intervalos R-R en s y de la frecuencia cardiaca (HR, heart rate) en latidos/minuto. Figura 3. Registro digitalizado del ECG nativo en tiempo real para uno de los sujetos. Se aprecian cinco registros CG nativos; en el eje de las variables independientes se registra el tiempo de duración en s y en el eje de las variables dependientes la amplitud en voltios para el ECG nativo. Adicionalmente, se desarrolló una nueva aplicación que permitió obtener en tiempo real los intervalos R-R en ms. los cuales fueron registrados en una tabla de datos en formato.lvm. La detección de la onda R se aprecia en la Fig. 4, la captura del intervalo R-R se almacena en una tabla.lvm cuyo interfaz gráfica se puede apreciar en la Fig ANÁLISIS ESTADÍSTICO Se obtuvo el valor de la media y de la desviación estándar, para el primer intervalo de medida de 5 minutos el cual fue denominado basal. Se seleccionó este intervalo debido a que es de especial importancia el comportamiento de la VFC basal, dado que de este dependerá el encontrar cambios apreciables en los índices de medida de la VFC en el tiempo. Para encontrar la media y la desviación estándar se usó la hoja de cálculo Excel III RESULTADOS 3.1. Descripción del software: Diseño del Software de captura de datos en LabVIEW Figura 4. Interfaz gráfica para el usuario. En la interfaz gráfica para el usuario se aprecia la detección en tiempo real de la onda R correspondiente al complejo QRS del registro ECG nativo. Con la tabla de datos de los intervalos R-R se generó un tacograma con el programa de computador Software for 105

4 Advanced VFC Analysis, suministrado gratuitamente por Juha-Pekka Niskanen et al. de la Universidad de Kuopio, Finlandia. Con este se obtienen los siguientes índices de medida de la VFC en el dominio del tiempo: MRR, STDRR, RMSSD, NN50 y pnn50, y en el dominio de la frecuencia: LF (0.04 Hz Hz), HF (0.15 Hz 0.4 Hz) y LF/HF. Adicionalmente la aplicación diseñada sólo registró como válidos los intervalos R-R que corres-pondieron a un rango de frecuencias cardiacas de latidos por minuto, las frecuencias fuera de este rango, eran automáticamente eliminadas por el software [12-15]. Una vez obtenida la tabla con LabVIEW para cada uno de los 34 pacientes, se generó un reporte con ayuda del Software HRV Analisys, como se aprecia en la Fig. 6. Figura 6. Reporte de los índices de medida de la VFC para un registro basal de cinco minutos, en un voluntario. Por lo tanto, para los 34 voluntarios se obtuvieron los siguientes valores correspondientes al promedio y a la desviación estándar en un intervalo de 5 min de registro. Los resultados obtenidos para 5 min. de registro basal se consignan en la Tabla 1. Tabla 1. Media y desviación estándar para los índices de medida de la VFC en el dominio del tiempo. Figura 5. Reporte de la duración en tiempo real de los intervalos R-R en ms. Se puede apreciar en el reporte de LabVIEW las duraciones en ms. de cada uno de los intervalos R-R consecutivos registrados en tiempo real. En el recuadro de la parte superior izquierda, se registra la cantidad total de intervalos R-R, en este caso corresponde a 1612 intervalos R-R. 106

5 Tabla 1. Media y desviación estándar para los índices de medida de la VFC en el dominio del tiempo. las medidas fisiológicas que intervienen en los cambios autonómicos del sistema nervioso autónomo. Es importante recalcar que hasta hoy no se cuenta con valores normales para los índices de medida de la VFC, sin embargo, los valores obtenidos en una población no sean reproducibles a otra de características similares, dadas todas las variables de confusión que pueden afectar los resultados finales[10-11]. V. CONCLUSIONES La VFC es una medida fisiológica fundamentada en observaciones que pesan la influencia del SNA sobre el corazón. El predominio de las señales asociadas a un alto y persistente estímulo simpático (componente de HF) se piensa que se asocian a un factor de riesgo de enfermedad cardiovascular. Las variables derivadas del análisis de la VFC, tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia, dan idea de la influencia simpática y parasimpática sobre el corazón. IV. DISCUSIÓN En el presente estudio, se establecieron los índices de medida de la VFC a 34 pacientes jóvenes sentados en reposo, entre los 18 y 25 años de edad y consumidores habituales de cigarrillo, mediante un registro ECG de 5 min. Es importante anotar que lo reportado en la literatura, deja claro que no existe un valor normal para los diferentes índices de medida de la VFC, dado que hasta hoy no se han establecido valores de normalidad para dichos índices. Teniendo en cuenta que la VFC disminuye a partir de los 40 años de edad, se seleccionó para comparación con esta población, el trabajo de Acharya et al [10], que muestra los valores de la VFC por rangos de edad entre 25 ± 10 años (n=50), con un valor para RMSSD de ms., este dato comparado con el resultado obtenido en el presente estudio correspondiente a 59.1± 31.9, muestra que el valor obtenido se encuentra en el intervalo esperado. El valor reportado para pnn50 de , con un obtenido de 30 ± 0.028, que esta por fuera del intervalo esperado, posiblemente por la naturaleza de fumadores de los sujetos. La proporción LF/HF reportada es de frente al encontrado en este estudio correspondiente a 0.69, encontrándose en el intervalo de valores esperados. Muy probablemente el valor de la potencia asociada a los componentes armónicos de la población difiere en magnitud al no establecer un punto de comparación sobre Ser fumador regular, parece demostrado con este estudio, altera los valores considerados normales para índices de VFC y, por lo tanto, pueden sugerir que estos sujetos jóvenes están entrando en un grupo de riesgo circulatorio, aún antes de que se expresen manifestaciones clínicas o paraclínicas corrientes. Al no contar con datos de normalidad de los índices de la VFC, se diseñó este estudio bajo rigurosos criterios de inclusión y exclusión de los voluntarios, lo que permitió ganar validez interna, y puede ser deseable en estudios longitudinales de medidas repetidas de la VFC posteriores. Esta técnica de medida, es de bajo costo y de fácil implementación, con lo cual se espera incentivar posteriores investigaciones en este campo de la fisiología de sistemas. La importancia de desarrollar una nueva aplicación de software en electrofisiología cardiaca, da un alto valor agregado al estudio, sumado a que se puede usar la versión gratuita de distribución de LabVIEW, lo que disminuye costos en futuros estudios. Es de gran importancia, tomar registros análogos y digitalizarlos en tiempo real, ya que esto no solamente permite ganar tiempo en la edición de los datos, sino que además es altamente confiable dado que se reduce al máximo el error humano al disminuir la manipulación de los registros por métodos que pueden sesgar los resultados. Los archivos generados con esta técnica, son pequeños y compatibles con los programas comerciales de aplicación, 107

6 lo que le permite a la técnica tener un amplio entorno de aplicación. Las diferentes interfases gráficas son de fácil comprensión para el usuario, además de poderse editar y acomodar a estudios específicos, lo que le da a la técnica flexibilidad y la hace especial para uso en investigación. Fuente de financiación: Universidad Nacional de Colombia, Sistema de información de la investigación HERMES, Apoyo a tesis de programas de posgrado, Código del proyecto REFERENCIAS 1. JONAS M, OATES J, OCKENE J, et al. Statement on Smoking and Cardiovascular Disease for Health Care Professionals. Circulation. 1992; 86(5): LaCROIX A, LANG J, SCHERR P, et al. Smoking and Mortality Among Older Men and Women in Three Communities. N Engl J Med. 1991; 324(23): MINAMI J, ISHIMITSU T, MATSUOKA H. Effects of Smoking Cessation on Blood Pressure and Heart Rate Variability in Habitual Smokers. Hypertension. 1999; 33(2): LIAO D, BARNES R, CHAMBLESS L, et al. Age, Race and Sex differences in Autonomic Cardiac Function Measured by Spectral Analysis of Heart Rate Variability. The ARIC Study. Am J Cardiol. 1995; 76: DEKKER J, CROW R, FOLSOM A, et al. Low Heart Rate Variability in a 2-Minute Rhythm Strip Predicts Risk of Coronary Heart Disease and Mortality From Several Causes. The ARIC Study. Circulation. 2000; 102: SALINAS A. La Investigación en Ciencias de la Salud. Méjico: McGraw-Hill-Interamericana; INFORME SURF 1. VIGILANCIA DE LOS FACTORES DE RIESGO RELACIONADOS Disponible en: [Consultado el 6 de julio de 2006]. 8. CIFRAS DEL TABAQUISMO Disponible en: uismo.htm [Consultado el 10 de enero de 2006). 10. ACHARYA R, KANNATHAL N, 0NG W, et al. Heart Rate Analysis in Normal Subjects of Various Age Groups. BioMedical Engineering OnLine. 2004; 3: MALIK M, BIGGUER J, CAMM A, et al. Heart Rate Variability, Standards of Measurement, Physiological Interpretation, and Clinical Use. Eur Heart J. 1996; 17: AKSELROD S, Gordon D, Ubel F, et al. Power Spectrum Analysis of Heart Rate Fluctuation: a Quantitative Probe of Beat to Beat Cardiovascular Control. Science. 1981; 213: PAGANI M, LOMBARDI F, GUZZETTI S, et al. Power Spectral Analysis of Heart Rate and Arterial Pressure Variabilities as a Marker of Sympatho-Vagal Interaction in Man and Conscious Dog. Circ Res. 1986; 59: KLEIGER R, MILLER J, BIGGER J, et al. Decreased Heart Rate Variability and its Association with Increased Mortality after Acute Myocardial Infarction. Am J Cardiol. 1987; 59: BIGGER J, FLEISS J, STEINMAN R, et al. Frequency Domain Measures of Heart Period Variability and Mortality after Myocardial Infarction. Circulation. 1992; 85: HAYT W, KEMMERLY J. Análisis de Circuitos en Ingeniería. Méjico: McGraw-Hill; p GABEL R, ROBERTS R. Señales y Sistemas Lineales. Méjico: Limusa; p LAITINEN T, VAUHKONEN I, NISKANEN N, et al. Power Spectral Analysis of Heart Rate Variability During Hyperinsulinemia in Nondiabetic Offspring of Type 2 Diabetic Patients. Evidence for Possible Early Autonomic Dysfunction in Insulin-Resistant Subjects. Diabetes. 1999; 48: BIANCHI A, MAINARDI L, CERUTTI S. Time- Frequency Analysis of Biomedical Signals. Transactions of the Institute of Measurement and Control. 2000; 22: BARRY P, POLLARD A. Altitude Illness. BMJ. 2003; 326: AMBIENTE Y SALUD Disponible en: html [Consultado el 5 de julio de 2006). 108

7 Artículo de Investigación Científica y Tecnológica (Tipo I). Sometido a Arbitraje. Los autores declaran que no tienen conflicto de interés. Los Autores Juan Carlos Lizarazo Profesor Ingeniería Biomédica, Facultad de Ingeniería Electrónica, Universidad El Bosque. Ingeniero Electrónico Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Especialista en Docencia Universitaria Universidad El Bosque, Msc Fisiología Universidad Nacional de Colombia. Carrera 7 B Bis , Edificio El Campito. Bogotá. lizarazojuan@unbosque.edu.co Luis Eduardo Cruz Martínez Profesor de Fisiología, Facultad de Medicina, Universidad Nacional de Colombia. Coordinador División de Fisiología, Facultad de Medicina, Universidad Nacional de Colombia. Intensivista, Unidad de Cuidados Intensivos, Clínica Reina Sofía, Bogotá. Médico Cirujano, Universidad Nacional de Colombia. Intensivista y Especialista en Anestesiología Universidad Nacional de Colombia. Avenida , Facultad de Medicina, Campus Ciudad Universitaria, Bogotá D.C. lecruzm@unal.edu.co 109