Misión Posible: Investigación Conjunta entre Ingenieros y Médicos. Ejemplo de Aplicación Específica para la Monitorización de Temperatura Corporal

David Cuesta Frau
   Grupo GIICA, Instituto Tecnológico de Informática (ITI), Universidad Politécnica de Valencia    Campus de Alcoi, 03801 Alcoi (Alicante)

Manuel Valera Entrecanales
   Servicio de medicina interna, Hospital de Móstoles, Móstoles

Rosa Valenzuela Juan
   Desarrollo de Negocio. Difusión y Relaciones externas. Instituto Tecnológico de Informática (ITI),    Universidad Politécnica de Valencia. (Valencia)

Resumen

La investigación conjunta entre ingenieros y médicos, a nivel general, es una línea de trabajo de gran aplicabilidad y brillante futuro. Tradicionalmente ha sido difícil este trabajo conjunto, debido principalmente al desconocimiento de las capacidades entre ambos sectores, pero afortunadamente esto está cambiando. Para ilustrar este hecho, describimos aquí el trabajo realizado por el Instituto Tecnológico de Informática de Valencia, y el Hospital de Móstoles en Madrid, España. Este trabajo consiste en la monitorización y análisis de registros de temperatura corporal en pacientes ingresados, el cual también puede servir de ejemplo para el desarrollo de sistemas similares.

1. Introducción

La colaboración en tareas investigadoras entre ingenieros y médicos es de gran interés por los resultados que esto puede ofrecer a la sociedad, pero tradicionalmente no ha sido explotada de forma apropiada, posiblemente por el desconocimiento mutuo de las capacidades de cada grupo. Ello ha provocado que problemas o tareas en medicina que se pudieran haber beneficiado de esta colaboración, necesitasen de un periodo de tiempo excesivamente largo para su resolución, que se tengan que seguir usando métodos antiguos, o que simplemente continúen en el mismo estado.

Con la aparición en los últimos años de grupos de investigación especializados en ingeniería biomédica, el mayor perfil investigador actual de los médicos, el mayor interés por parte de empresas, y la mayor disponibilidad de subvenciones o préstamos públicos para realizar proyectos de investigación, afortunadamente cada vez existe más colaboración entre ambos sectores.

En este trabajo describimos un ejemplo de esta colaboración entre médicos, del Hospital de Móstoles, y el Instituto Tecnológico de Informática de Valencia, para la realización de un proyecto de ingeniería biomédica.

2. El lnstituto Tecnológico de Informática de Valencia

El Instituto Tecnológico de Informática (ITI) es un Centro Tecnológico fundado en 1994 y centrado en el sector informático y que realiza actividades de Investigación y Desarrollo, Formación y difusión de los resultados de la Investigación, con la misión principal de mantener la posición competitiva de las empresas del sector informático nacional. Entre sus objetivos destacan:

• Dinamizar el mercado informático mediante la introducción de tecnologías punteras.
• Experimentación en la mejora de los procesos de producción del software y su transferencia a la industria.
• Difundir, en las empresas en general, el uso de las nuevas tecnologías de la información.
• Constitutirse en Centro de información técnico y de tendencias sobre las Tecnologías de la Información (TI) emergentes.
• Descubrir nuevas áreas de negocio que estén basadas en las TI.
• Demostrar la obtención de ventajas competitivas que se pueden conseguir con el uso de las TI.
• Puesta en marcha de servicios de valor añadido para las empresas del sector.

El ITI estructura su actividad en grupos de investigación del más alto nivel de prestigio internacional en las áreas de Reconocimiento de Formas, Sistemas Distribuidos, Visión por Computador, Seguridad Informática, Reconocimiento del Habla, Traducción, Tecnologías del Lenguaje, Sistemas Complejos, Calidad del Software, Sistemas Fiables e Informática Industrial, Comunicaciones y Automática. En estas áreas el Instituto desarrolla proyectos de Investigación tanto básica como aplicada y cuenta con la Oficina de Transferencia de Resultados de la Investigación (OTRI) que se encarga de realizar la transferencia de tecnología hacia las empresas.

2.1. La Ingeniería Biomédica

La ingeniería biomédica es una disciplina cuyo objetivo es la investigación, desarrollo, e innovación en el campo de las aplicaciones técnicas relacionadas con la medicina. Esta disciplina tiene ya una antiguedad de más de medio siglo, surgiendo prácticamente al mismo tiempo que los dispositivos electrónicos integrados que la hacían posible. Requiere del conocimiento de médicos y/o biólogos, combinado con el de ingenieros, por lo que normalmente implica el trabajo conjunto de especialistas de ambos campos, dado que no es habitual encontrar estudios que cubran todos los aspectos. Dentro de esta disciplina, se pueden considerar una serie de especialidades:

El trabajo descrito es una demostración de las posibilidades que la colaboración entre el sector de la medicina y el de la ingeniería ofrece para beneficio de ambos, quedando encuadrado en la especialidad de bioingeniería, ya que trata del desarrollo de sistemas de adquisición de señales biomédicas.

3. Caso concreto: obtención de registros de temperatura corporal

La fiebre constituye uno de los síntomas clásicos de enfermedad. Hay recogidas referencias a la presencia de fiebre en escritos cuneiformes acadios del s. VI AC, y los primeros intentos de medirla para un uso clínico datan del siglo II AC. A partir del los trabajos de Wunderlich del s. XIX, la temperatura se convierte en uno de los signos principales de la práctica médica, universalmente utilizado tanto en los pacientes hospitalizados como en régimen ambulatorio. La presencia de fiebre es una de las causas más frecuentes de consulta médica, y está generalmente aceptada como un dato altamente específico de patología.

Sin embargo, hasta la fecha, la temperatura ha tenido algunos graves inconvenientes como instrumento de diagnóstico.

• Es un síntoma relativamente específico (si un sujeto tiene fiebre, es muy probable que esté enfermo), pero muy poco sensible (muchos pacientes están enfermos, pero no tienen fiebre).
• Aunque aparentemente es una variable cuantitativa, los médicos la utilizan como una variable dicotómica (febril / afebril). El que un paciente tenga una fiebre más o menos alta no aporta información clínica significativa. Esto condiciona importantes limitaciones:
  Obliga a establecer unos rangos de normalidad que son, cuando menos, discutibles (varían con la edad, el sexo, la situación hormonal, la hora del día....).
  Cuando el paciente tiene fiebre, la termometría aporta información importante, pero si el paciente está afebril, la termometría es absolutamente inútil.
• Se tiende a considerar que el paciente tiene “una sola temperatura”. Esto es flagrantemente falso, y ha sido necesario introducir al menos dos temperaturas, una central y otra periférica. Aun así, es una representación probablemente sobresimplificada (hay “varias temperaturas” centrales y periféricas). La temperatura periférica es fácil de medir, pero sería la menos representativa. La temperatura central es menos accesible, y hasta hace poco tiempo precisaba de maniobras relativamente invasivas (sonda esofágica o uretral, termómetro rectal, etc)
• Habitualmente la temperatura se toma debido a la presencia de un síntoma, o –en pacientes ingresados- siguiendo un ritmo de toma de constantes (generalmente cada 6 – 8 horas). Sin embargo, esto son solo fotogramas de una película, y es cuestionable en qué medida representan el proceso global.

Habría varias formas de intentar superar estas limitaciones:

1. Registro continuo de temperatura. En muchos campos de la medicina, la medida secuencial de una variable biológica (en lugar de observaciones puntuales) ha condicionado cambios decisivos en la práctica clínica. Esto ha sido evidente en la monitorización de pacientes (frente a la toma del pulso), los registros de Holter-ECG (frente a los ECG convencionales), la monitorización ambulatoria de la tensión arterial (frente a las tomas puntuales de tensión) o la pulsioximetría percutánea (frente a la gasometría arterial). Esto no solo aumenta la capacidad de detectar alteraciones (que pasarían desapercibidas con los registros puntuales), sino que permite observar datos dinámicos (ritmos, variabilidad), que no son accesibles con medidas esporádicas.

2. Registro simultáneo de temperatura central y periférica. Hasta hace poco tiempo, la temperatura más frecuentemente utilizada era la periférica. Ocasionalmente se medía la temperatura rectal (sobre todo en niños), y la medida de temperatura esofágica, vesical o en arteria pulmonar se reservaba solo para alguna ocasional monitorización quirúrgica. Sin embargo, la aparición en los últimos años de sensores de temperatura timpánica ha cambiado la situación, haciendo mucho más accesible esta medida. El contar con las dos temperaturas (central y periférica) a la vez podría tener considerable interés clínico. Si en vez de considerar los valores como normales o patológicos, los analizamos como partes integrantes del sistema termoregulador, podríamos obtener una imagen mucho más funcional del proceso. Así, la presencia de un gradiente alto estaría reflejando un aumento del tono simpático y un proceso de acumulación de temperatura, antes incluso de la aparición de la fiebre. Esto podría ser un dato muy precoz en los cuadros de bacteriemia, y podría aumentar considerablemente la rentabilidad de ciertas medidas diagnósticas o terapéuticas.

3. Nuevas técnicas de análisis. Aunque clásicamente se había intentado obtener alguna información clínica de los patrones de temperatura (y se describían “fiebres hécticas” en las infecciones bacterianas, “fiebres tercianas” en ciertas parasitosis, “fiebre de Pel-Ebstein” en los linfomas, etc), estas categorías han sido muy poco útiles clinicamente, y tienden considerarse obsoletas. Igualmente, los valores estadísticos clásicos de centralización o dispersión no se han revelado relevantes. Recientemente se ha observado que, en sistemas complejos, uno de los fenómenos más precozmente observables es el “desacoplamiento” de sus subsistemas. Esto, junto con la pérdida de riqueza del input y el deterioro en la capacidad de procesamiento, condicionana un “empobrecimiento” del output del sistema. Esto ha sido consistentemente observado en el funcionamiento cardiaco, en el envejecimiento, con la respiración, en la sepsis, etc.

Nuestro grupo ha observado cómo la complejidad del registro térmico disminuye con la edad. Igualmente, hemos visto que, en pacientes en fallo multiorgánico ingresados en la UCI existe una estrecha relación (inversa) entre la complejidad del perfil térmico y la situación fisiológica del paciente. Pudimos demostrar que existían diferencias significativas en los valores medios y mínimos de complejidad entre los pacientes que fallecían y los supervivientes. Posteriormente observamos que la determinación de la complejidad del perfil de temperatura tenía una capacidad pronóstica (en cuanto a la muerte o supervivencia del paciente) similar a los sistemas clásicos de puntuación, con la ventaja de ser no-invasivo y de proporcionar información continua y en tiempo real (en tanto que los sistemas de puntuación clásica solo pueden hacerse episodicamente y son considerablemente más agresivos y más caros)

Por ello, para estudiar la correlación entre registros de temperatura corporal (tanto central como periférica) y la evolución clínica de los pacientes, es necesario contar con los dispositivos adecuados para adquirir muestras de dicha temperatura a intervalos cortos y regulares de tiempo. Nos encontramos aquí, por tanto, con una aplicación típica de bioingeniería, el desarrollo de un sistema de adquisición y almacenamiento de señales biomédicas. Existen dispositivos comerciales para llevar a cabo esta tarea, pero como suele ser habitual en estos casos, no son personalizables para casos concretos, y cualquier modificación o ampliación debe realizarse por parte de la empresa suministradora, lo cual representa una gran limitación.

Así, se ha desarrollado un sistema de registro ambulatorio de señales termométricas procedentes del tímpano y de la piel basado en termistores. Dicho sistema está formado por un microcontrolador de la familia PIC con conversor de datos analógico-digital de 10 bits, memoria flash, capacidad de transmisión inalámbrica de datos mediante el estándar ZigBee (o a través de USB), y sistema de alimentación autónoma para el registro de larga duración. El sistema se conecta al paciente, y los datos de temperatura se van transmitiendo a la estación central, con una frecuencia de muestreo de 1 registro por minuto. La precisión de la medida de temperatura es de 0.1 ºC. Una vez se completa el registro, se mide la complejidad del mismo mediante entropía aproximada y se correlaciona con el estado del paciente mediante análisis estadístico. De los experimentos realizados con pacientes en UCI, se desprende que existe una fuerte correlación, de manera que a menor complejidad, peor es el estado del paciente.

4. Conclusiones

Existe un gran campo de trabajo conjunto entre la medicina y la ingeniería (específicamente la electrónica, telecomunicaciones, e informática). Las grandes multinacionales del sector desarrollan equipamiento y software médico para las aplicaciones más comunes o más avanzadas, pero dejan de un lado aplicaciones emergentes o específicas, que un contacto directo entre investigadores de ambos sectores puede cubrir.

Tal como se ha descrito en este trabajo, la investigación, desarrollo e innovación llevados a cabo por médicos e ingenieros pueden ser muy fructíferos. Tan sólo es necesario que los médicos identifiquen el problema y describan sus requerimientos, para que el equipo de ingenieros pueda desarrollar correctamente la aplicación, tanto software como hardware, y obtener de esta forma un prototipo. Si además existen empresas interesadas en comercializar los resultados de esta colaboración, se está generando la estructura ideal para mejorar el sistema de I+D+i del sector sanitario de un país o de una zona.