cámara de presión para miembros inferiores

Cámara de Presión para Miembros Inferiores Laboratorio de Fisiología Médica, UAM‐I

2

Tabla de Contenido

Introducción y Antecedentes 3 Antecedentes de los Dispositivos para la Aplicación de Presión Negativa 4 Protocolos y Métodos Utilizados para la Administración Presión Negativa 6 Antecedentes de Dispositivos para la Administración de Presión Positiva 8 Protocolos Utilizados para la Presión Positiva 9

Justificación 11

Objetivos 11

Hipótesis 12

Metodología 12 Desarrollo del instrumento para la aplicación de presión positiva y negativa 12 Construcción de la Cámara 12 Sello Paciente‐Cámara 13 Generador de Presiones 13 Protocolo 14

Protocolo para la aplicación continua de presión positiva y negativa 14

Resultados y Discusión 15 Desempeño del Instrumento 15

Conclusión 18

Referencias 19


3

Cámara de Presión Negativa y Positiva para Miembros Inferiores

Introducción y Antecedentes

La técnica de presión negativa (PNMI) y positiva en los miembros inferiores (PPMI) ha sido

utilizada para el estudio de los efectos de simulaciones de cambios gravitacionales de

sangre en los humanos desde su creación, en 1965, por Stevens y Lamb [1]. La aplicación

de PNMI, por sus siglas en español, se usa frecuentemente como una maniobra provocativa

al sistema cardiovascular y ha sido aplicado para simular estrés gravitacional y hemorragia

y manipular al barorreflejo [2].

La PNMI provoca una mayor concentración de sangre en los miembros inferiores, y por lo

tanto disminuye el retorno venoso al corazón. Esto, así mismo, provoca una disminución del

gasto cardiaco, volumen sistólico, presión y el volumen de sangre central [3], todo ello

conduce a una disminución en la presión arterial. El factor anterior provoca una

disminución en la frecuencia de disparo de los barorreceptores, situación que evoca una

estimulación de la actividad simpática y disminución de la vagal [4]. El reflejo de

vasoconstricción ocurre durante el secuestro de sangre producida por la PNMI, que se

atribuye a la disminución en la presión arterial, la cual activa los reflejos mediados por

barorreceptores [5] para producir los cambios autonómicos mencionados de alta presión.

Por lo tanto, resulta muy útil en la simulación de situaciones de hemorragia y para evaluar

situaciones ambientales de menor gravedad [6].

Así mismo, en su aplicación inversa, es decir, la presión positiva, se ha probado que no tiene

ningún impacto adverso en los parámetros sistémicos y cardiovasculares mientras que

produce una significativa reducción del peso de los miembros inferiores y alteraciones

mínimas en la cinemática de la marcha. Por lo tanto es una herramienta nueva y segura

para pacientes en rehabilitación que necesiten reducir las cargas en las estructuras

musculoesqueléticas inferiores [7].

La aplicación de presión positiva en los miembros inferiores incrementa la presión en los

tejidos y reduce el gradiente de presión transmural a través de la vasculatura,


4

incrementando la presión venosa central y la presión arterial media (PAM) [8]. En posición

supina, el incremento en la PAM durante la aplicación de PPMI es el resultado del

incremento en el gasto cardiaco y/o la resistencia vascular inducida por efectos mecánicos

directos del aumento de la presión de los tejidos sobre la hemodinámica circulatoria [8].

Como resultado de grandes presiones hidrostáticas, hay acumulación de sangre en los

miembros inferiores cuando se está de pie que en posición supina. Por esta razón, en

postura vertical, la PPMI provoca un mayor desplazamiento de sangre de la parte baja a la

alta del cuerpo. Esta restauración del volumen sanguíneo central en posición vertical puede

incrementar la carga, de tal modo que se carguen los barorreceptores, causando

probablemente disminución de la actividad simpática y aumento de la vagal [9], cambios

responsables de la vasodilatación en la circulación periférica [8, 10].

Antecedentes de los Dispositivos para la Aplicación de Presión Negativa

Se tiene conocimiento de la construcción de cámaras de PNMI con diferentes materiales y

diseños. La primera y más elaborada consta de un tubo hecho de polimetilmetacrilato

transparente, lo suficientemente grande para contener a una persona de la cintura para

abajo, una aspiradora para generar una presión subatmosférica en un tanque de reserva,

que permite una liberación rápida de presión, una plataforma móvil con un sello hermético

en la cintura. Todo dispuesto en un mismo dispositivo [1], como se muestra en la fig. 1.

Figura 1. Dispositivo para la aplicación de presión negativa que consta de un tubo de acrílico, un sello y una cámara de almacenamiento de presión y

realizada por Hisdal J et al. [1]


5

El siguiente instrumento fue construido por J. Russomano et al. [11] con una estructura

cilíndrica como base hecha de acero, que consta de cinco arcos envueltos con vinil

transparente y resistente a altas presiones. También cuenta con una camilla móvil que se

introduce a dicha estructura por medio de ruedas internas y externas, que le brindan mayor

seguridad. Una falda de piel sella herméticamente la cámara a la cintura con la ayuda de un

cinturón ajustable y del otro lado con una estructura de madera (fig. 2). Un par de válvulas

de entrada y salida conectan el interior de la cámara con el exterior, y un sistema de tubos

permite que el aire circule suavemente dentro de ella. La presión negativa se mantiene

mediante sensores electrónicos controlados con un programa sin que se altere la

temperatura y humedad en el interior [11].

Figura 2. Cámara de presión negativa en acero y vinil, construida por

Russomano T et al. [11]

Por último, se observó un diseño diferente a los dos anteriores, por Ben TA Esch et al. [12].

Esta cámara fue elaborada como un prisma rectangular con paredes externas de madera, al

igual que su estructura interna (fig. 3). La parte de arriba no se adhirió a las paredes para

una fácil introducción de equipo a la cámara cuando sea necesario, cerrando

herméticamente mediante el uso de silicón. El sujeto se introduce a través de una entrada

semicircular ajustable al tamaño en la placa frontal y se crea un sello hermético con el uso

de una “falda de kayak”. Es importante mencionar que se colocaron válvulas de seguridad

en la placa frontal para reducir la presión en caso necesario [12].


6

Figura 3. Cámara para la aplicación de presión negativa en

miembros inferiores en madera diseñada por TA Ben et al. [12]

Protocolos y Métodos Utilizados para la Administración Presión Negativa

Se observó que todos los protocolos aplicados de presión negativa son discontinuos o con

presión constante, generalmente de larga duración (60 min. en promedio). Por ejemplo, en

la fig. 4 y 5 se muestran las gráficas de tiempo contra presión de protocolos escalonados de

50 min. de duración. En el primero se observa que después de la aplicación de cierto nivel

de presión de 5 min. de duración se regresa a la línea base, no siendo así en el segundo, que

además difiere en el tiempo de aplicación de cada nivel de presión.

Figura 4. Protocolo utilizado por Kimmerly DS

et al. [13] Figura 5. Protocolo empleado por Wijeysundera

DN et al. [14]

Se han observado ciertas respuestas fisiológicas dependiendo del nivel de presión que se

aplique. A continuación se presenta una tabla (tabla 1) publicada por Goswami [15] que

clasifica estos cambios según diferentes protocolos.


7

Tabla 1. Respuestas Fisiológicas a Diferentes Niveles de Presión

Protocolo de Presión Presión (mmHg)

Efectos Específicos

‐10

• Descarga barorreceptores cardiopulmonares: la PVC1 desciende 3 mmHg, no hay cambios en la PAM2, pulso y frecuencia cardiaca

• La vasoconstricción periférica es superior • Efectos mínimos en los barorreceptores arteriales Nivel ligero, PNMI

constante, de corta duración

‐20 5 min

• Desplazamiento de 500‐1000 ml de fluidos de los componentes centrales a los periféricos

• Aumento en el volumen de fluidos en las piernas de 450 ml

‐10 60 min

• Flujo sanguíneo esplácnico se reduce en el antebrazo Nivel ligero, presión

constante de larga duración ‐30

4 h • Cambios en la presión del fluido intersticial de las piernas

Nivel ligero, incremento de presión (rampa), corta duración

• Aumento progresivo en la actividad simpática en las extremidades

• Respuesta vasoconstrictora casi máxima en las extremidades a los 3 min

Nivel ligero, incremento de presión (rampa), larga duración

• Atrofia retinal progresiva, aumento de aldosterona después de 20 min de ‐10 y ‐20 mmHg

‐40 5 min

• Desplazamiento de fluido de 614 ml de los compartimentos centrales a los periféricos

• Volumen de las piernas se duplica cuando la PNMI aumenta de 20 a 40 mmHg

• Aumento de la resistencia sistémica vascular • Decaimiento de la presión del pulso carotídeo

‐40 10 min

• Reducción en el flujo sanguíneo cerebral pero no hay cambios en el diámetro de las arterias

Nivel moderado/fuerte, PNMI constante de corta duración

‐50 5 min

• Diferencias entre géneros: mujeres muestran menor tolerancia

• Caída del flujo sanguíneo esplácnico del 32% • 30% de reducción en la conductancia vascular esplácnica

1 Presión Venosa Central 2 Presión Arterial Media


8

• Regreso del flujo del antebrazo a niveles de reposo

‐60 • Caída de PVC de 7 mmHg • Actividad simpática muscular se duplica en el antebrazo

‐80 ‐90 5 min

• Decaimiento rápido del volumen sanguíneo central • Expansión del volumen plasmático

Nivel moderado, presión constante, larga duración

• Incremento en la actividad vagal

Nivel moderado/fuerte, de corta duración

• Respuesta vasoconstrictora casi al máximo nivel

Nivel fuerte, incremento de presión (rampa), larga duración

‐55 >20 min

• Descarga los barorreceptores arteriales y cardiopulmonares con un decremento en el flujo sanguíneo esplácnico y renal

• Aumento en las respuestas de la presión sanguínea mediada por el sistema simpático

La PNMI junto con la inclinación del cuerpo y la prueba de estimulación del frío ha servido

para evaluar la capacidad vasoconstrictora, fundamental en la determinación de la

tolerancia ortostática en humanos [10]. La respuesta hemodinámica ante la aplicación de

PNMI incrementa la variabilidad de la frecuencia y la resistencia total periférica; el gasto

cardiaco y el volumen sistólico disminuyen significativamente [17].

Antecedentes de Dispositivos para la Administración de Presión Positiva

Cuando se aplica la presión positiva, se encontró que en las cámaras el sujeto se encuentra

en posición vertical, puesto que son usadas en su mayoría en conjunto con una banda para

la reducción de peso en miembros inferiores durante la marcha, así como para simulación

de estrés gravitacional [7].

Su diseño es similar a los utilizados para PNMI. Difieren en que cuentan con un espacio

mayor para la introducción de la banda sin fin y para que el paciente pueda mantener una

posición vertical como se observa en los ejemplos siguientes.

En el primer caso (fig. 6) los sujetos usaron pantalones cortos de neopreno unidos a una

falda de kayak que se ajusta al nivel de la cadera. Se introducen a la cámara y la falda crea

un sello que permite la movilidad del sujeto para que le sea confortable realizar el ejercicio.


9

La presión es aplicada de manera graduada hasta el nivel deseado y la velocidad de la banda

es controlada de manera electrónica [7].

Figura 6. Cámara para la aplicación de la presión positiva construida por

Cutuk A et al. [7]

En el segundo dispositivo (fig. 7) la cámara para PPMI fue comparada con otro método para

reducir la carga en los miembros inferiores durante el ejercicio realizado por pacientes en

rehabilitación. En el artículo no se detallan las características de su estructura, pero

asumimos que es muy similar a la cámara anterior puesto que se realizan el mismo tipo de

pruebas.

Figura 7. Cámara para la administración de presión positiva realizada por

Rukstuhl H et al. [18]

Protocolos Utilizados para la Presión Positiva

Al igual que en el caso de la PNMI, los protocolos para la aplicación de PPMI son

discontinuos y manteniendo un nivel de presión constante, ambos por un largo periodo de

tiempo.


10

En la fig. 8 se muestra un protocolo de manera gráfica en el que se observa que la duración

es de 12 minutos y la aplicación de presión positiva tiene una duración de 3 min. por nivel

[8].

Figura 8. Protocolo de PPMI de dos etapas usado por Nishiyasu T et al. [8]

En la siguiente gráfica (fig. 9) se observa otro protocolo similar al anterior: escalonado de

18 min. de duración en el que cada etapa dura 7 min. [16].

Figura 9. Protocolo de tres etapas de PPMI reportado por Fu Q et al. [16]

De acuerdo a lo publicado por Nishiyasu et al. [8] y Fu et al. [16] las respuestas fisiológicas

observadas durante la aplicación de PPMI a los sujetos estudiados son las siguientes (tabla

2):

Tabla 2. Respuestas Fisiológicas al Aumento de Presión

Variable Fisiológica Respuesta

Presión Arterial Media Aumento proporcional al incremento de la PPMI

Frecuencia Cardiaca Constante

Volumen Latido Disminuye a niveles altos de PPMI (>20 mmHg)

Resistencia Periférica Aumenta


11

Justificación

Las aplicación de PPMI y PNMI tiene varias ventajas. Es un procedimiento no invasivo,

fácilmente reversible que usualmente se realiza en posición supina. Cambios en la posición

del sujeto que puedan influenciar la distribución de los fluidos en la línea base y estimular

el sistema neurosensorial son innecesarios, lo que permite eliminar artefactos de

movimiento en los registros [15].

A pesar de que este procedimiento ha sido empleado durante varios años, aún no se ha

desarrollado un protocolo estándar ni algún instrumento comercial, sino que cada

investigador construye su propia cámara con protocolos diferentes, dependiendo de sus

necesidades y tomando en cuenta sus limitaciones. Así mismo, los protocolos utilizados son

discontinuos y no hay un solo estudio que utilice la misma cámara tanto para PNMI como

para PPMI. Por último, es importante mencionar que en nuestro país no se tienen datos de

la construcción, diseño ni empleo de alguna cámara de presión positiva o negativa.

Además de la construcción de un dispositivo innovador se propone un protocolo que nos

ofrece las siguientes ventajas:

• Combina presión positiva y negativa en un solo instrumento

• Funciones lineales (creciente y decreciente)

• Corta duración

• Manejable para comparar

Objetivos

Instalar y garantizar el correcto funcionamiento de una cámara de presión en miembros

inferiores.

• Diseñar un sello hermético (en el paciente y la cámara) que permita mantener la

presión constante dentro de la cámara

• Implementación de un generador capaz de alcanzar las presiones positivas y

negativas a los niveles requeridos

• Lograr una presión negativa y positiva de al menos ±40 mmHg


12

Realizar pruebas a sujetos obteniendo las respuestas fisiológicas esperadas.

• Aplicación de protocolos continuos

Hipótesis

• Se obtendrá una respuesta fisiológica lineal, al igual que el estímulo aplicado.

• Es posible implementar una cámara diseñada para presiones positivas y negativas

con un solo generador de presión.

Metodología

Desarrollo del instrumento para la aplicación de presión positiva y negativa

El desarrollo consistió en la construcción de una cámara para miembros inferiores, un sello

y un dispositivo que genera la presión positiva y negativa.

Construcción de la Cámara Tomando en cuenta el conocimiento adquirido con el análisis de la información anterior, se

diseñó la cámara (fig. 10) con las siguientes características:

• Volumen reducido para lograr las presiones deseadas de manera fácil y rápida

• Material utilizado: acrílico de 1 cm de grosor

• Medidas: 0.425 x 0.345 x 1.06 m

• Entradas para sistema de tubos para el flujo de aire que genera la presión y para el

sensor de presión.

En la figura 10 se muestra la cámara construida de acrílico con sus entradas y el

sello.


13

Figura 10. Cámara en acrílico para la aplicación de presión en miembros

inferiores construida

Sello Paciente‐Cámara Un factor crítico en el desarrollo del instrumento es crear un buen sello o “falda” que

funcione tanto para presión positiva como para presión negativa. Se realizaron varios

prototipos de la “falda” (la cual se ajusta al paciente al nivel de las crestas ilíacas) mediante

los cuales se observaron las deficiencias y ventajas de cada uno. Así, se elaboró un tipo de

“falda” con la cual se minimizaron las fugas de aire para mantener la presión constante

(positiva y negativa) dentro de la cámara (fig. 11).

Figura 11. Sello para la aplicación de la presión positiva y negativa

El material elegido para dicho sello es tela plastificada, que gracias a su elasticidad puede

soportar las presiones. Se hizo la falda con una doble capa de tela, que se ajusta al paciente

fácilmente mediante un elástico interno además de ser fijada con cintas alrededor de la

cadera del sujeto.

Generador de Presiones La generación de presiones dentro de la cámara se produce por un motor al cual se le

hicieron los ajustes necesarios para crear la presión positiva y negativa.


14

Éste va conectado a la cámara mediante un sistema de mangueras. A través del control de

válvulas se realiza un cambio muy rápido, imperceptible y que garantiza la continuidad

entre las presiones negativas y positivas.

Protocolo La fase experimental es parte de una tesis de maestría desarrollada en el Laboratorio de

Fisiología Médica.

Sujetos. Se estudiaron 5 sujetos de ambos géneros sanos, estudiantes entre 18 y 26 años de

edad que dieron su consentimiento informado por escrito como voluntarios para participar

en el estudio.

Estudio piloto. Se probaron los protocolos de aplicación de presión en una sola etapa.

Posteriormente, se realizaron los protocolos continuos de incremento y decremento

lineales, para explorar cómo se ajusta el sistema cardiovascular a estos estímulos y

determinar si los valores de presión máxima/mínima y tiempo de estimulación propuestos

en el diagrama de la fig. 12 son factibles, seguros y producen una respuesta fisiológica

significativa.

Protocolo para la aplicación continua de presión positiva y negativa

Como se ha mencionado anteriormente, los protocolos generalmente utilizados aplican

presiones constantes o cambios de presión de manera discontinua, tanto en protocolos para

PPMI como para PNMI. En el caso de las pruebas realizadas con la cámara construida en el

laboratorio, se ha propuesto un protocolo tanto continuo como discontinuo (fig. 12) para

observar los resultados fisiológicos y poder realizar una comparación entre ambos, para así

determinar si los cambios resultan en datos que puedan dar una función lineal así como lo

es el estímulo.

El protocolo que se siguió para el estímulo con presión fue en un rango de ‐20 a 20 mmHg

por etapas y continuo (fig. 12), de forma ascendente y descendente.

En el primer caso (discontinuo) cada etapa se realizó con una duración de 15 seg. y la línea

base y recuperación de 30 seg. cada uno. En caso del protocolo continuo el registro base y

recuperación duran 40 seg. cada uno en un rango de 40 mmHg. El total de la duración de

esta prueba es de 300 seg. en ambos casos.


15

Figura 12. Protocolos de presión propuestos

Registro y adquisición de señales: Durante ambos estudios se registraron y adquirieron las

siguientes señales:

• ECG mediante una derivación bipolar (CM‐5) conectada al bioamplificador ECG100C

de BIOPAC

• Presión arterial no invasiva por el método oscilométrico con el uso del medidor de

presión Tango, de Sun Tech

• Movimiento y volumen respiratorio por el método de inductancia

• Presión de la cámara, utilizando un transductor de presión diferencial

Todas estas señales serán digitalizadas y obtenidas a 500Hz mediante el sistema MP 150 de

Biopac.

Resultados y Discusión

Desempeño del Instrumento

Se evaluó el desempeño de la cámara tanto para el protocolo en etapas como para el

continuo, de forma ascendente y descendente siendo el rango de presiones de ±40 mmHg.

En la fig. 13 se muestra la gráfica de las presiones controladas en el rango de 40 mmHg y se

logró alcanzar hasta presiones mayores a ±40 mmHg. La generación de presión resultó

altamente lineal, tanto para el protocolo decreciente, mostrado a la izquierda, como para el

creciente, mostrado a la derecha. Para ambos casos los coeficientes de correlación r = 0.999

y p < 0.001.


16

Figura 13. La generación de presión continua tuvo coeficientes de correlación muy altos.

En la figura 14 se muestra el desempeño del instrumento para generar presiones de manera

escalonada (por etapas), las cuales, como puede notarse se logró el mantener constante la

presión en cada etapa.

Figura 14. Desempeño por etapas ascendente y descendente

Así mismo, se evaluó el grado de error por medio de la desviación estándar de cada escalón,

siendo los valores de referencia ‐20, ‐15, ‐10, ‐5, 0, 5, 10, 15, 20. Como puede verse los

valores del error (diferencia entre el valor de referencia y el logrado) son muy pequeños,

como puede verse en la tabla 3.


17

Tabla 3. Correlación

Descendente Ascendente

Presión (mmHg)

Media Desviación estándar

Presión (mmHg)

Media Desviación estándar

20 19.9 ±0.1 ‐20 ‐19.7 ±0.1

15 15.2 ±0.1 ‐15 ‐14.8 ±0.2

10 10.0 ±0.6 ‐10 ‐10.1 ±0.2

5 5.0 ±0.1 ‐5 ‐4.9 ±0.1

0 0.0 ±0.1 0 0.0 ±0.1

‐5 ‐4.9 ±0.1 5 5.2 ±0.8

‐10 ‐10.0 ±0.1 10 10.2 ±0.2

‐15 ‐14.9 ±0.1 15 15.0 ±0.1 ‐20 ‐19.7 ±0.2

20 19.9 ±0.2

En la figura 15 se muestra un ejemplo típico de un registro de las variables ECG, tacograma, cambio

de la impedancia, derivada de la impedancia, presión de la cámara en un protocolo decremental

continuo lineal de positivo a negativo y los movimientos respiratorios.

Figura 15. Despliegue de señales de ECG, FC, impedancia, derivada de la impedancia, PMI y Respiración

con el protocolo de presión descendente


18

Conclusión

La rapidez con que se logran las presiones deseadas fue posibilitado por el volumen

reducido de la cámara así como a los grandes flujos de aire producidos, y en menor

porcentaje debido a la potencia del motor utilizado, aunque el uso de un motor de mayor

potencia podría aumentar el rango y la rapidez en los cambios de presión. Por lo mismo, el

sistema fue capaz de compensar las pequeñas fugas que el sello presentó a altas presiones

(positivas y negativas), pudiendo mantenerlas en la cámara por el tiempo requerido. Así

mismo, el material con el que el sello fue creado es resistente hasta presiones mayores a

±40 mmHg ya que presenta cierto grado de elasticidad así como un buen contacto, para un

buen sello del sistema sujeto‐cámara.

A pesar de que la cámara es de dimensiones reducidas, se garantiza que personas de

composición corporal normal puedan ser introducidas sin problema alguno.

En lo que respecta a la aplicación de protocolos lineales, se esperaba que las respuestas

fueran igualmente lineales. Se observó que lo anterior no es tan cierto puesto que las

respuestas hasta ahora encontradas presentan un grado de no linealidad.


19

Referencias

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