Una pandemia global en la era de los dispositivos portátiles

Jesús Lázaro Plaza

La Organización Mundial de la Salud declaró la enfermedad del coronavirus 2019 (COVID-19) como pandemia el global el 11 de marzo de 2020. Esto nos recuerda al brote del síndrome respiratorio agudo severo (SARS) en 2002-2003, dado que ambos brotes tienen un origen similar y ambas enfermedades son causadas por virus similares: el SARS coronavirus (SARS-COV) y el SARS-COV-2, respectivamente. Mientras el brote de SARS se controló, el de COVID-19 continúa expandiéndose por todo el mundo, afectando tanto a la salud como a la economía mundiales. La urgencia de la situación actual ha promovido el inicio de muchos proyectos de investigación y, a su vez, ha hecho que muchos otros reorienten sus objetivos a tratar de ayudar a solucionar esta crisis global. Este es el caso del proyecto WECARMON (wearable cardiorespiratory monitor), el cual está financiado por el programa H2020 de la Unión Europea e inicialmente enfocado a monitorizar pacientes con enfermedades respiratorias crónicas mediante un dispositivo portatil a modo de brazalete (en inglés, wearable device). Entonces, ¿cuál es el papel de un dispositivo portátil en la crisis de la COVID-19?

El aislamiento temprano de sujetos con una enfermedad infecciosa ha demostrado ser muy eficaz para controlar epidemias. De hecho, se considera que el aislamiento temprano es una de las razones principales por las que se controló el brote de SARS. Desafortunadamente, el periodo infeccioso de la COVID-19 muchas veces comienza antes de que aparezcan los primeros síntomas [1], haciendo difícil (o incluso imposible) identificar a los sujetos que deben aislarse. Además, el número de pruebas de infección de SARS-COV-2 es limitado y, por el momento, no se puede establecer una estrategia basada en pruebas masivas y regulares. Sin embargo, ¿qué pasaría si la información fisiológica que recogen los dispositivos portátiles pudiera detectar de forma temprana una infección de SARS-COV-2? En ese caso, y teniendo en cuenta el gran uso de este tipo de dispositivos en la actualidad, éstos podrían ser la base de una herramienta de testeo masivo y regular que podría ayudarnos a identificar de forma temprana sujetos potencialmente infectados.

Muchos dispositivos portátiles registran señales que se pueden utilizar para obtener información del sistema nervioso autónomo (SNA), como el electrocardiograma (ECG) y/o el fotopletismograma de pulso (PPG, la tecnología en la que se basan los llamados sensores ópticos de ritmo cardiaco). El SNA es una parte del sistema nervioso que actúa sin que seamos conscientes de ello. Se compone de dos ramas: la rama simpática, que nos activa en caso de alarma; y la rama parasimpática, que nos relaja. Nuestro estado general (activado/relajado) depende de qué rama esté dominando, y de cuán fuerte es ese dominio. Técnicamente, el estado se denomina balance simpatovagal. La importancia del SNA en su potencial participación en la crisis de la COVID-19 se basa en que algunos marcadores del SNA se han reportado como sensibles de manera temprana a otras afecciones respiratorias y/o infecciones. Eso sí, el cuerpo de un individuo puede estar activado por muchos motivos. Por ello, los marcadores del SNA no suelen ser muy específicos (el número de falsos positivos es alto), pero sí suelen ser muy sensibles (el número de falsos negativos es bajo), de forma que podrían ser de utilidad en una herramienta de testeo masivo que identifique de forma temprana individuos potencialmente infectados con SARS-COV-2. De este modo, estos individuos podrían ser aislados a la espera de nuevos síntomas o sometidos a una segunda prueba más específica.

Autonomic nervous system and wearable devices

El SNA regula, entre otras cosas, el latido del corazón. Esto significa que, de alguna forma, podemos obtener información del SNA de forma indirecta observando la ocurrencia de latidos. A modo de ejemplo, es fácil inferir que el balance simpatovagal de una persona es más elevado (su cuerpo está más activado) cuando su ritmo cardiaco es de 150 latidos por minuto, que cuando éste es 60 latidos por minuto. No obstante, la información del SNA en la ocurrencia de latidos no se limita al ritmo cardiaco medio. De hecho, hay mucha más información del SNA en las pequeñas variaciones latido a latido, conocidas como “variabilidad del ritmo cardiaco” (HRV). La cuantificación de estas variaciones es una estrategia muy potente para la evaluación no invasiva del SNA y ha llevado al descubrimiento de varios marcadores [2]. Además, la manera en la que cada uno de estos marcadores se ven afectados por las diferentes ramas del SNA es diferente, siendo ésta la razón por la que estos marcadores ofrecen más información que la simple observación del ritmo cardiaco medio. Por otra parte, en cuanto a los sensores ópticos, la señal PPG puede detectar latidos cardiacos a través de pulsos arteriales. Aunque no es exactamente lo mismo, la llamada “variabilidad de ritmo de pulso” está muy correlacionada con la variabilidad de ritmo cardiaco.

Figura 1. Prototipo de un dispositivo para grabar información del SNA.

El SNA controla también la respiración. Específicamente, éste regula la frecuencia de llenado/vaciado de los pulmones, conocida como tasa respiratoria, y la cantidad de aire que se desplaza en dicho proceso. De esta forma, también podemos evaluar el SNA a partir de parámetros respiratorios. Afortunadamente, podemos obtener información respiratoria a partir de las señales biomédicas que suelen registrar los dispositivos portátiles, como el ECG y la PPG [3]. La respiración cambia la morfología del ECG porque cambia las condiciones en las que se propaga la electricidad desde el corazón hasta la superficie del cuerpo, debido al llenado y vaciado de los pulmones [4].

Además, existe un fenómeno conocido como arritmia sinusal respiratoria que consiste en variaciones del ritmo cardiaco síncronas con la respiración, es decir, el ritmo cardiaco está (no exclusivamente) relacionado con la respiración. De hecho, la cuantificación de esas interacciones cardiorespiratorias también ofrecen información sobre el SNA. Por otra parte, el caso de la PPG es similar al del ECG, es decir, también puede obtenerse información respiratoria a partir de su morfología. La respiración afecta a la morfología de la PPG a través de cambios en el volumen de sangre bombeados desde el ventrículo izquierdo, y de cambios en la presión intratorácica y la rigidez arterial, que a su vez cambian la propagación de la onda de pulso.

Así es como se puede obtener información del SNA utilizando dispositivos portátiles. Además, la adquisición de la señal PPG consiste en la iluminación del tejido y la observación de la cantidad de luz que se transmite o se refleja y, en la mayoría de hogades, existe un dispositivo que incorpora hardware capaz de hacer esto disponible: un smartphone. Los smartphones se han utilizado para obtener información del SNA usando su flash y cámara [5], [6].

Conclusion

Resumiendo, hay biomarcadores que se extraen de señales biomédicas registradas por dispositivos portátiles que podrían tener un papel en la identificación de forma temprana de individuos potencialmente infectados con SARS-COV-2. Si fuese así, estos dispositivos podrían ser una herramienta efectiva para contener el brote de COVID-19. En otras palabras, la posibilidad de obtener información fisiológica de manera cómoda en prácticamente todos los hogares es potencialmente útil para aplanar la curva.

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Por Jesús Lázaro (@jlazarop), Becario Individual MSCA del proyecto WECARMON en la Universidad de Zaragoza..

Más información:

  1. Wilder-Smith et al. (2020).
  2. Variabilidad del ritmo cardiaco: estándares de medida, interpretación fisiológica y uso clínico. Escrito por los miembros del equipo de Task Force.
  3. Charlton et al. (2016).
  4. Lázaro et al. (2014).
  5. Scully et al. (2012).
  6. Lázaro et al. (2015).

Otros recursos:

  1. Programa de televisión “En ruta con la ciencia”, centrado en los efectos de la pandemia causada por el coronavirus. Muestra cómo diferentes científicos de Aragón han estado trabajando en diferentes proyectos para acabar con el virus y devolver la normalidad a la sociedad. Jesús Lázaro y el proyecto para desarrollar el dispositivo portátil en el cual participa son descritos en el programa.
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