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Artigo de método

Uma abordagem baseada em ultrassom sem imagem para avaliação combinada da rigidez arterial local e regional em humanos

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DOI:

10.3791/69002

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19 de dezembro de 2025

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1Department of Electrical Engineering, Indian Institute of Technology Madras, 2Healthcare Technology Innovation Centre, IIT Madras, 3Department of Physiology, All India Institute of Medical Sciences, New Delhi

Neste artigo

Resumo

Esse protocolo descreve uma técnica baseada em ultrassom sem imagem para avaliar simultaneamente a rigidez arterial local e regional em humanos. A técnica utiliza uma sonda de ultrassom piezoelétrico de elemento único para insonar a artéria carótida comum e um manguito oscilométrico para capturar a forma de onda do pulso femoral e determinar a rigidez arterial local e regional.

Resumo

A rigidez arterial é um marcador cardinal do envelhecimento vascular, representando o impacto cumulativo de fatores de estresse mecânicos e biológicos na parede dos vasos decorrentes do envelhecimento e de vários fatores de risco cardiovascular, que levam a alterações nas propriedades do material e na mecânica da parede tanto das artérias centrais quanto periféricas. A rigidez arterial foi identificada como um preditor independente da morbidade e mortalidade cardiovascular. Com base na avaliação de rigidez realizada em um local anatômico específico ou em um segmento da árvore arterial, as medições de rigidez arterial são amplamente categorizadas como avaliações locais e regionais. A medição local envolve quantificar propriedades da parede arterial, incluindo conformidade, distensibilidade ou módulo elástico, enquanto a avaliação regional é baseada na medição da velocidade da propagação da onda de pulso ao longo de um segmento arterial. Aqui, apresentamos uma abordagem validada, sem imagens e baseada em ultrassom, capaz de avaliar simultaneamente tanto a rigidez arterial local quanto regional em humanos. A técnica envolve a insonação da artéria carótida comum usando uma sonda de ultrassom piezoelétrico de elemento único e o rastreamento em tempo real dos ecos originados das paredes arteriais para capturar a forma de onda da distensão da artéria carótida. Medidas locais de rigidez arterial são derivadas de dados de distensão e pressão arterial carotídea. Um manguito oscilométrico aplicado à coxa é usado para adquirir simultaneamente a forma de onda do pulso femoral e calcular a velocidade da onda do pulso carótide-fémoral, determinando os tempos de viagem do pulso até os sítios carótida e femoral, juntamente com os comprimentos do caminho arterial medidos na superfície.

Introdução

A rigidez arterial é um marcador chave do envelhecimento vascular, refletindo o impacto cumulativo de insultos mecânicos e biológicos associados ao envelhecimento e vários fatores de risco cardiovascular na paredearterial 1,2. Patologicamente, essas alterações envolvem degradação da elastina, deposição e reticulação de colágeno, rigidez muscular liso e alterações na matriz extracelular da parede arterial, tornando-a mais rígida e menos flexível, comprometendo assim as funções de Windkessel das grandes artériaselásticas 1,2.

As consequências fisiológicas do enrijecimento das grandes artérias (LAS) são multifacetadas. Um aumento na impedância característica da aorta e na pós-carga sistólica atuando sobre o ventrículo esquerdo perturba as interações ventricular-arteriais normais e promove disfunção miocárdica, fibrose miocárdica e hipertrofia ventricularesquerda 1,2. Além disso, a perda do amortecimento mecânico atribuído à função de Winkessel amplifica a pulsatilidade da pressão e do fluxo na microvasculatura de vários órgãos-alvo, incluindo cérebro e rim, levando à disfunção microvascular e parênquimatosa nesses órgãosvitais 1,2. Esses construtos fisiopatológicos do LAS e suas consequências são replicados epidemiologicamente por grandes estudos populacionais que revelaram de forma incontestável a importância da rigidez arterial como preditor independente de morbidade e mortalidade cardiovascular além dos fatores convencionaisde risco cardiovascular 3,4,5,6 . A acumulação de evidências nesse sentido abriu caminho para a inclusão da avaliação de rigidez arterial nas diretrizes clínicas, caso uma decisão de tratamento baseada em risco para baixar a pressão arterial permaneça incerta para indivíduos comPA 7 elevado. Esses avanços ressaltam a importância do acesso a ferramentas válidas e confiáveis para a medição não invasiva da rigidez arterial em humanos, especialmente para avaliação da saúde vascular e estratificação de risco.

As abordagens convencionais para quantificar a rigidez arterial são duase 2,8: (1) registrar as mudanças pulsáteis no diâmetro e pressão arterial em um local específico da árvore arterial para calcular a distensibilidade arterial ou outros índices como uma medida 'local' da rigidez arterial, (2) medir a velocidade de propagação do pulso arterial entre dois pontos da árvore arterial para determinar a velocidade da onda do pulso (PWV) como uma medida regional da artéria rigidez. Teoricamente, o PWV é inversamente relacionado à raiz quadrada da distensibilidade, conforme estabelecido pela equação de Bramwell-Hill, que demonstra a concorrência fisiológica entre as duas medidas mais amplas de rigidez arterial8. Quantificar a PWV de grandes artérias centrais envolve o uso de sensores dedicados, incluindo tonômetros, para registrar de forma não invasiva as formas de onda do pulso arterial a partir de dois locais acessíveis na árvore arterial. A PWV Carótido-Femoral, a medida padrão ouro da rigidez de grandes artérias, é calculada usando formas de onda de pulso arterial capturadas sequencialmente ou simultaneamente das artérias carótida e femoralcomuns 2,8.

Quantificar medidas locais de rigidez arterial frequentemente envolve o uso de modalidades de imagem, incluindo ultrassom ou ressonância magnética, e requer um pós-processamento exaustivo das sequências de imagem para extrair dados de diâmetro e área para o cálculo dos índices de rigidez 8,9. Medidas de rigidez arterial local, quando capturadas das localizações barosensíveis da árvore arterial, também podem fornecer insights fisiológicos vitais sobre o ganho mecânico do arco reflexo barorreceptor, uma via crucial para a homeostase cardiovascular de curto prazo, que frequentemente é perturbada em distúrbios neurológicos e metabólicos10,11. Além dos índices de rigidez, técnicas de Doppler e imagem vetorial baseadas em ultrassom fornecem medidas quantitativas da velocidade do fluxo sanguíneo, taxa de fluxo e tensão de cisalhamento da parede, que ajudam a caracterizar ambientes hemodinâmicos locais relevantes para aterosclerose e remodelaçãovascular 12,13. De forma semelhante, a ressonância magnética com contraste de fase e a ressonância magnética de fluxo 4D geram fluxo sanguíneo volumétrico, gradientes de pressão, tensão de cisalhamento na parede, padrões de fluxo turbulento, vorticidade e velocidade da onda do pulso aórtico, oferecendo uma caracterização abrangente e não invasiva da hemodinâmica que complementa as medições de rigidez da paredearterial 14,15. Recentemente, tecnologias de pressão arterial sem braço (BP) baseadas em fotopletismografia (PPG) foram desenvolvidas para estimar a pressão arterial local ou regional e a velocidade das ondas de pulso a partir de formas de onda periféricas depulso 16,17. Esses sistemas normalmente derivam a BP a partir do tempo de trânsito do pulso ou da análise de ondas de pulso baseadas em PPG, às vezes em combinação com ECG ou PPG multi-site, e podem rastrear mudanças batida a batida na rigidez arterial local e hemodinâmica em um fator de forma vestível ou baseado emsmartphone 16,17,18.

Apresentamos aqui uma técnica validada, baseada em ultrassom sem imagem, para avaliar simultaneamente a rigidez arterial local e regional emhumanos 9,19,20. O método emprega uma sonda de ultrassom piezoelétrico de elemento único para insonar a artéria carótida comum, capturando sinais de eco em tempo real das paredes arteriais para gerar a forma de onda de distensão da artéria carótida. A rigidez arterial local é quantificada usando os dados de distensão em conjunto com a pressão arterial. Para avaliar a rigidez arterial regional, um manguito oscilométrico é aplicado na coxa para capturar a forma de onda do pulso femoral de forma não invasiva. A velocidade da onda do pulso carotídeo-femoral (cf-PWV) é então calculada medindo o atraso de chegada do pulso entre os sítios femoral e carótido, juntamente com os comprimentos do caminho arterial medidos na superfície.

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Protocolo

Os protocolos de estudo foram aprovados pelo Comitê de Ética do Instituto de Ciências Médicas de Toda a Índia, Nova Délhi (IEC-477/17.06.2022, RP-04/2022). Foi obtido consentimento informado por escrito de todos os participantes que se voluntariaram para o estudo. Os consumíveis e equipamentos utilizados estão listados na Tabela de Materiais.

1. Componentes e conexões de equipamentos

NOTA: O sistema de medição consiste no dispositivo ARTSENS Plus PWV (dispositivo de medição de rigidez arterial sem imagem), dois manguitos infláveis (braquial e femoral), uma mangueira, um transdutor de ultrassom em modo A, um cabo micro-USB, fita métrica e um adaptador de carregamento. As interfaces disponíveis no dispositivo são mostradas na Figura 1. Os seguintes passos devem ser seguidos para preparar o dispositivo para as medições:

  1. Conecte o adaptador de energia à porta de energia do dispositivo e conecte a outra ponta em uma tomada AC. Essa etapa pode ser omitida se o dispositivo tiver uma bateria de backup adequada.
  2. Certifique-se de que o computador hospedeiro esteja ligado durante a operação para evitar qualquer interrupção no processamento ou comunicação.
  3. Conecte a mangueira à porta de manguito do dispositivo de medição de rigidez arterial sem imagem até que um som de "clique" confirme o travamento seguro.
  4. Prenda o manguito (braquial ou femoral) na outra extremidade da mangueira, dependendo da medida desejada. O conector utiliza um mecanismo de torção para trava.
  5. Conecte o cabo micro-USB ao dispositivo e a outra extremidade ao computador hospedeiro. Recomenda-se uma conexão direta. Se o host não tiver portas USB Tipo-A, use um hub USB 2.0 alimentado para garantir uma transferência de dados estável.

2. Preparação para avaliação

NOTA: Para iniciar uma nova medição, inicie o aplicativo de software dedicado para rodar o dispositivo de medição de rigidez arterial sem imagem (versão de compilação do software: V1.0) no computador hospedeiro e siga estes passos:

  1. Selecione NOVO PACIENTE na página inicial para iniciar uma nova sessão de teste.
  2. Insira as informações do paciente e prossiga para a página de Preparação da Avaliação clicando no botão Seta Direita no canto inferior direito da página. Se algum campo obrigatório estiver incompleto ou contiver entradas inválidas, o software exibirá uma mensagem de erro na parte inferior da tela.
  3. Instrua o sujeito a descansar em posição supina por pelo menos 5 minutos antes da medição.
  4. Coloque os manguitos braquial e femoral no braço esquerdo e na coxa esquerda, respectivamente, garantindo que fiquem justos, mas não excessivamente apertados.
  5. Conecte a mangueira ao braço braquial. Garanta que a conexão esteja segura, sem vazamento de ar. Uma mensagem de erro aparecerá nas etapas seguintes se for detectado vazamento ou colocação incorreta da manguita.
  6. Clique em Medir Valores para registrar automaticamente as pressões sistólica, diastólica e média, junto com a frequência cardíaca.
  7. Insira os dados antropométricos, se disponíveis.
  8. Palpar o lado esquerdo do pescoço para localizar o pulso carotídeo.
  9. Meça e insira (em milímetros) os seguintes comprimentos de caminho arterial (conforme mostrado na Figura 2):
    1. Distância do local da artéria carótida até a incisura esternal
    2. Distância da entalhe esternal até o topo do punho da coxa
    3. Distância do sítio da artéria femoral até o topo do manguito da coxa
      NOTA: Essas distâncias são ilustradas na interface do software para auxiliar na entrada precisa. A distância não deve usar contato com o paciente, onde os contornos individuais do corpo do paciente podem aumentar incorretamente a distância PWV com base na estrutura anatômica externa individual do corpo. Além disso, multiplique as medições em centímetros por 10 para convertê-las em milímetros e insira as distâncias no software.
  10. Desconecte o braço da mangueira e conecte-o ao braço da coxa.
  11. Navegue para a próxima tela para iniciar as medições de rigidez vascular clicando no botão Seta Direita no canto inferior direito da página. O software verifica a conectividade de sonda e cuff. O braço infla e desinfla como parte de uma verificação automática antes de avançar para a tela de Medição.

3. Medição de rigidez vascular

  1. Aplique uma gota de gel de ultrassom no transdutor em modo A.
  2. Posicione a sonda sobre o local onde as pulsações carotídeas são sentidas (veja a Figura 3).
  3. Certifique-se de que a tela de medição exiba o seguinte feedback:
    1. Forma de onda RF: Certifique-se de que ela exiba o sinal bruto de eco do ultrassom da artéria carótida ( Figura 4, coluna à direita).
    2. Barras de qualidade do sinal: Indicam a qualidade dos sinais de eco para a parede próxima (NO) e a parede distante (FW) da artéria. Esses estão situados logo abaixo da forma de onda RF.
    3. Barra de progresso: Certifique-se de que indique o progresso à medida que os ciclos cardíacos válidos são registrados.
    4. Formas de onda de pulso: Mostram distensão carótida e pulso de pressão femoral.
  4. Mova e oriente a sonda para localizar a artéria carótida (veja a Figura 4) usando o display de forma de onda RF.
    NOTA: A colocação correta é confirmada quando dois padrões de ecocardiograma alinhados verticalmente (correspondentes às paredes próxima e distante da artéria) apresentam movimento de fase oposta.
  5. Certifique-se de que a detecção da artéria seja indicada visualmente por um par de cursores que delimitam as paredes da artéria.
    NOTA: O manguito femoral infla automaticamente durante esse processo. Uma mudança na cor da forma de onda de vermelho para azul indica inflação adequada dos braços de manguito. Uma vez que a sonda é mantida estável, aparecem as formas de onda carótida e femoral. Esses sinais são de natureza quase periódica.
  6. Grave as formas de onda por uma duração definida pelo usuário, indicada pela barra de progresso de preenchimento (preenchendo). A configuração padrão exige pelo menos 10 ciclos cardíacos de alta qualidade tanto das artérias carótida quanto femoral.
    NOTA: Após a aquisição bem-sucedida de dados válidos, a barra de progresso atinge seu máximo e a página de Resultados é exibida. O número de ciclos necessários para os resultados, e consequentemente a duração da gravação, é configurável pelo operador.

4. Obtenção das saídas dos dispositivos

  1. Confira a lista de medidas diretas:
    1. Pressão braquial (SBP, DBP, MAP) por oscilometria.
    2. Forma de onda do pulso no diâmetro carótido e valores absolutos (sistólica, diastólica, distensão máxima) por ultrassom.
    3. Forma de onda do pulso de pressão femoral pelo transdutor do manguito.
    4. O tempo de trânsito do pulso carotídeo-fémoral (cf-PTT) é medido diretamente a partir do atraso entre as formas de onda carótida e femoral adquiridas, sem conversão para uma onda de pressão estimada.
  2. Confira a lista de medidas derivadas:
    1. Pressão arterial central (PS, DP) derivada da pressão braquial e das formas de onda do diâmetro da carótida. (Ela é obtida calibrando a forma de onda do diâmetro usando uma relação fundamentalmente não linear pressão-diâmetro, sob a suposição de pressões diástolicas e médias consistentes ao longo da árvore arterial21,22.)
    2. Índices de rigidez carótida: índice de rigidez (β), módulo elástico (Ep) e compaciência arterial (AC) avaliados usando as medições diretas, conforme mostrado na Tabela 1.
    3. Velocidade de onda de pulso carótido-femoral (cf-PWV), a métrica regional de rigidez padrão ouro avaliada usando as medições diretas, conforme mostrado na Tabela 1.

5. Configuração do dispositivo para medições confiáveis

  1. Configurações de medição:
    1. Ajuste a frequência do transdutor para 10 MHz.
      NOTA: Um transdutor de 5 MHz também é suportado e pode ser selecionado nas configurações básicas.
    2. Ajuste a taxa de amostragem do sinal de ultrassom para 80 MHz.
    3. Ajuste a taxa de quadros do ultrassom para 250 Hz.
    4. Ajuste a taxa de amostragem por onda de pulso de pressão femoral para 250 Hz.
    5. Aplique um filtro Golay com 20 pontos laterais para suavizar o sinal.
    6. Ajuste o ponto de ajuste da pressão de inflação do manguito para 10 mmHg abaixo do DBP do paciente.
  2. Manuseio da sonda:
    1. Consulte a Figura 3 para identificar a região ideal para palpação e colocação do transdutor.
    2. Palpar a área indicada para localizar o pulso carotídeo mais forte e garantir a qualidade ideal do sinal.
    3. Aplique uma pressão suave e constante para manter o contato com a sonda. Evite aplicar pressão excessiva, pois isso pode distorcer o sinal e causar desconforto ao paciente.
    4. Se necessário, apoie o pulso do operador em uma superfície de suporte para melhorar a estabilidade.
  3. Posicionamento da manguita:
    1. Enrole a algema na parte média da coxa, garantindo que a mangueira saia para baixo.
    2. Posicione o Velcro sobre a parte interna da coxa.
    3. Certifique-se de que a manga esteja bem ajustada segurando uma das extremidades firmemente sobre a coxa e enrolando no sentido horário com a outra mão.
    4. Verifique se a mangueira não está presa sob o tecido do punho.

6. Uso da interface gráfica de software para feedback de medição em tempo real

  1. Observe o display da forma de onda RF. Inicialmente não estruturadas, duas traces de eco com movimento oposto aparecerão no terço superior da tela assim que a artéria for localizada.
  2. Monitore as barras de qualidade do sinal adjacentes à forma de onda RF. Mire em um nível de preenchimento acima de 50% (indicado pelas barras passando de brancas para verdes).
  3. Use o status exibido da sonda, o estado do manguito, a cor da forma de onda da pressão femoral e outros diagnósticos do sistema para guiar a aquisição.
  4. Certifique-se de que o computador hospedeiro esteja devidamente configurado.
  5. Mantenha o computador hospedeiro conectado a uma tomada durante todo o procedimento de medição para evitar limitações de desempenho que possam afetar negativamente a aquisição de dados e a comunicação USB.

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Resultados

A Figura 4 apresenta registros representativos de ultrassom, ilustrando sinais de boa e baixa qualidade resultantes, respectivamente, da orientação correta e incorreta da sonda. Uma página de resultados de exemplo é mostrada na Figura 5, indicando as métricas de rigidez e pressão arterial medidas. (Note que a página é carregada com resultados para fins ilustrativos). Para medição individual de rigidez, local e regional, as faixa...

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Discussão

O método descrito permite a avaliação simultânea da rigidez arterial local e regional em humanos, utilizando um único exame baseado em ultrassom, sem imagem. Essa abordagem integra uma sonda de ultrassom piezoelétrico de elemento único para capturar formas de onda do diâmetro da artéria carótida para avaliação local da rigidez e um manguito na coxa para registrar a forma de onda do pulso femoral para determinar a velocidade da onda do pulso carótide-fémoral (cf-PWV). Essa abordagem de me...

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Divulgações

Autores não têm conflitos de interesse a divulgar.

Agradecimentos

Os autores reconhecem as bolsas institucionais concedidas pelo Healthcare Technology Innovation Centre, IIT Madras, e pelo All India Institute of Medical Sciences, Nova Délhi, por apoiarem o desenvolvimento dessa tecnologia e a produção e publicação deste trabalho.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Unidade ARTSENS PlusVascRisk LLCAP020201001Dimensões: 240 mm x 170 mm x 60 mm, Peso: ~1Kg
Adaptador de energia ACVascRisk LLCAP0202010052 MOPP Classe II, 9V - 3.3A, 36W
Cabo USBVascRisk LLCAP0202010091 cabo Micro USB para USB tipo A; Comprimento: 1m
Punho na coxaVascRisk LLCAP020201002Tamanho adulto e padrão
Manguito braquialVascRisk LLCAP0203020021Tamanho adulto e padrão
MangueiraVascRisk LLCAP0202010041 x 1/8" de cano; Comprimento: 1,5m
Sonda transdutora de ultrassomVascRisk LLCAP0202010081 x Sonda Piezo Ultrassônica de elemento único
Fita métricaVascRisk LLCAP0202010101 x 150cm, com resolução de 1mm
Computador hospedeiroPreferência do usuárioRequisitos mínimos: Processador Intel i5, 8GB de RAM, Microsoft Windows 10 e superior, 1 x porta USB2.0
Unidade de softwareVascRisk LLCAP020202056arquivo de instalação ISO; < 1 GB

Referências

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Avaliação por UltrassomRigidez Arterial LocalVelocidade da Onda de PulsoArtéria CarótidaForma de Onda do Pulso FemoralEnvelhecimento VascularForma de Onda de DistensãoSonda de Ultrassom Piezoelétrica

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