Formulación de índices del trabajo respiratorio a partir de la relación no lineal de la actividad electromiográfica y las señales ventilatorias durante respiración espontánea con variaciones en PEEP y PS en sujetos sanos

Abstract

RESUMEN: La mecánica ventilatoria permite el movimiento del gas hacia y desde los pulmones, donde se realiza el intercambio gaseoso. Esto se logra por medio de variaciones en las presiones, obtenidas a partir de las características viscoelásticas del pulmón y la contracción/relajación de los músculos respiratorios. Cuando hay insuficiencia respiratoria aguda la ventilación no puede realizarse de manera correcta, se requiere de soporte ventilatorio para lograr un buen intercambio gaseoso y disminuir el trabajo respiratorio extra que realiza el paciente en estas circunstancias. En la actualidad el trabajo respiratorio es monitoreado de forma indirecta por medio de signos clínicos, gasometría arterial y parámetros netamente ventilatorios como volumen, presión y flujo. Es importante entonces conocer índices del trabajo muscular que den cuenta del esfuerzo realizado por los músculos respiratorios, evitando así caer en fatiga o debilidad muscular. En investigaciones previas, se plantearon índices respiratorios para poblaciones con patologías específicas, obteniendo alto grado de significancia en la clasificación del estado o evaluación del trabajo respiratorio (WOB). No obstante, se evaluaron pocos pacientes y no existía un grupo control con el que se pudieran contrastar los resultados y aumentar su validez. A partir de esto, se vio la necesidad de caracterizar una población control que permitiera tener una base del comportamiento del trabajo respiratorio en sujetos clínicamente sanos, evaluando los índices utilizados previamente y formulando nuevos índices mediante técnicas avanzadas de procesamiento de señales. En este proyecto, se trabajó con una población inicial de 41 sujetos clínicamente sanos, mayores de edad, del género masculino y con índice de masa corporal inferior a 30. Se registraron los músculos respiratorios por medio de electromiografía de superficie (sEMG) y las señales ventilatorias mediante ventilación espontanea no invasiva. Con cada sujeto se siguió un protocolo de incremento de la presión positiva al final de la espiración (PEEP) y presión soporte (PS) con el fin de evaluar el comportamiento de los músculos y la mecánica ventilatoria de sujetos sanos ante la variación de estos estímulos. A partir del análisis de las señales sEMG de los músculos respiratorios analizadas ante estímulos de PEEP y PS, en este trabajo de maestría, los resultados más relevantes se concentran en la detección de cambios en la frecuencia instantánea de las señales durante la inspiración mediante wavelet y espectrograma que, gracias a la resolución temporal, permiten identificar particularidades de los esfuerzos ante los estímulos, lo cual podría resultar útil en detección de asincronías respiratorias. La caracterización del WOB durante el ciclo respiratorio utilizando medidas convencionales a partir de las señales ventilatorias y además con índices dinámicos del WOB (WOBdyn) creados a partir de modelos matemáticos reportados en la literatura, podrán facilitar la realización de mediciones de esfuerzo respiratorio en diferentes instantes del ciclo, sin requerir el ciclo completo. Finalmente se identificaron características del acoplamiento no lineal de los músculos respiratorios ante cada estímulo, comparando índices reportados por otros autores con uno formulado en este trabajo que se basa en la dimensión fractal de las señales sEMG de los músculos y estandarizado por el RMS de la señal de presión en los primeros 100ms de la inspiración, este índice presenta un comportamiento comparable con otros índices reportados pero con un consumo computacional inferior.

ABSTRACT: Ventilatory mechanics allows the movement of gas to and from the lungs, where gas exchange takes place. This mobilization is obtained by variations in the pressure, this is achieved from the viscoelastic properties of the lung and contraction / relaxation of the respiratory muscles. When a patient suffers acute respiratory failure, the ventilation cannot be done properly, it requires ventilatory support to achieve a good gasses exchange and to reduce the extra respiratory workload. Nowadays the work of breathing is monitored indirectly through clinical signs, blood gas analysis and ventilatory parameters such as volume, pressure and airflow. Therefore, it is important to know indices of muscle workload that show the effort of the respiratory muscles, thus avoiding falling into fatigue or muscle weakness. In previous studies, respiratory indexes were proposed for populations with specific pathologies, obtaining a high degree of significance in the classification of the state or evaluation of respiratory work (WOB). However, those studies have evaluated few patients and did not include a control group which could increase their validity. From this, we saw the need to characterize a control population serving as a reference from the behavior of respiratory work in clinically healthy subjects, in which previously used indexes could be evaluated in conjunction with new indexes based in advanced signal processing techniques. In this project, we worked with an initial population of 41 clinically healthy male adult subjects, with a body mass index lower than 30. Respiratory muscles activity was recorded with surface electromyography (sEMG) and the ventilatory signals through spontaneous noninvasive ventilation. For each subject, we followed a protocol of Positive end-expiratory pressure (PEEP) and Pressure Support (PS) in order to evaluate the behavior of the muscles and the ventilatory mechanics of healthy subjects with the variation of these stimulus. From the analysis of the sEMG signals of the respiratory muscles under PEEP and PS stimuli, in this work, the most relevant results are focused on the detection of changes in the instantaneous frequency of signals during the inspiration with wavelet and spectrogram that, thanks to temporal resolution, allows to identify particularities of the efforts under the stimuli, which could be useful, for instance, in the detection of respiratory asynchrony. The characterization of the WOB during the respiratory cycle using conventional measurements from the ventilatory signals and also with dynamic indexes WOB (WOBdyn) created from mathematical models reported in the literature, may facilitate the measurement of respiratory effort at different times of the cycle, without requiring the whole cycle. Finally, characteristics of the non-linear coupling of the respiratory muscles were identified with each stimulus, comparing indices reported by other authors with one formulated in this work that is based on the fractal dimension of the sEMG signals standardized by the RMS of pressure in the first 100ms of inspiration, this index shows a behavior comparable with other indexes reported but with a lower computational load.