Identificación de la Señal Mioeléctrica del Intestino Delgado Registrada en Superficie Externa Abdominal. Comparativa con Registros Internos

Abstract

[EN] Intestinal motility is responsible for the functions of segmentation, mixing and transport of the chime poured from the stomach. These functions are of main importance in the processes of nutrients digestion and absorption. Intestinal contractile activity is determined by the myoelectrical activity of intestinal muscular layers. Precisely, intestinal myoelectrical activity, which is also called electroenterogram (EEnG), is the result of two components: a low frequency component (slow wave, SW) that is always present and a high frequency component (spike bursts, SB) which is associated with bowel contractions. Despite of the diagnostic significance of internal recordings of EEnG, clinical application of this technique is limited due to its invasiveness. Thus, surface recording of EEnG could be a solution for non-invasive monitoring of intestinal motility. The aim of this Ph.D. Thesis is the recording of surface electroenterogram and the identification of slow wave and spike bursts activity in order to quantify bowel motor activity in dogs. We conducted simultaneous recordings of IMA in bowel serosa and on abdominal surface of Beagle dogs in fast state. Both signals were analyzed in spectral domain and a frequency band for slow wave and spike bursts energy were determined. Likewise, the effects of abdominal layers and of possible interferences on surface recording of EEnG were also studied. For this purpose it was necessary to define new signal-to-interference and attenuation functions. We calculated different spectral parameters of surface EEnG that quantify presence and intensity of SB taking into consideration the attenuation behavior of abdominal layers and interference effects. These parameters have shown a strong correlation with bowel contractile activity. The research about surface EEnG is complemented with an analysis of signal dynamics throughout the pattern of bowel motor activity in fast state. Stationarity of the signal was evaluated in every period of contractile activity with different window-lengths. The study finishes with the definition of an algorithm that provides a variable window-length, adapting EEnG analysis to the spectral content of signal at every moment. This permits the generation of a fast non-invasive index of bowel contractile activity for future real-time applications. Three main conclusions can be deduced out of the obtained results: - It is possible to identify both bowel’s slow wave and spike bursts activity on surface recordings of EEnG. - Quantification of SB activity on surface EEnG allows non-invasive monitoring of small bowel mechanical activity. - It has been developed a new adaptive analysis method that improves intestinal motility indexes based in traditional techniques as it considers non-stationarity of EEnG.

[ES] La motilidad intestinal es responsable de las funciones de segmentación, mezcla y transporte del quimo vertido desde el estómago. Estas funciones son fundamentales en los procesos de digestión y absorción de nutrientes. La actividad contráctil intestinal está determinada por la actividad mioeléctrica de las capas musculares intestinales. Concretamente, la actividad mioeléctrica intestinal, también denominada electroenterograma (EEnG), es el resultado de dos componentes: una componente de baja frecuencia que está siempre presente (onda lenta, OL); y una componente de alta frecuencia (potenciales rápidos de acción o spike bursts, SB) que está asociada directamente a las contracciones intestinales. A pesar del valor diagnóstico de los registros internos del EEnG, su aplicación clínica está limitada debido a su carácter invasivo. Por tanto, el registro en superficie del EEnG podría ser una solución a la monitorización no-invasiva de la motilidad intestinal. El objetivo de la presente tesis doctoral es el registro del electroenterograma de superficie y la identificación de la actividad de la onda lenta y de los spike bursts para la cuantificación no-invasiva de la actividad contráctil intestinal en perros. Se han llevado a cabo registros simultáneos del EEnG en la serosa intestinal y en superficie abdominal de perros Beagle en estado de ayunas. Ambas señales se han analizado en el dominio espectral para la determinación de los rangos de frecuencia en que se localiza la energía tanto de la OL como de los SB. Asimismo se ha estudiado la influencia de las capas abdominales y de posibles interferencias sobre el registro externo. Para ello ha sido necesario definir las funciones señal-interferencia y de atenuación, inéditas hasta la fecha. Teniendo en cuenta estos efectos de atenuación e interferencia, se han calculado distintos parámetros espectrales del EEnG de superficie que cuantifican la existencia e intensidad de SB. Estos parámetros han mostrado una elevada correlación con el grado de actividad contráctil intestinal interno. La investigación sobre el EEnG de superficie se complementa con un análisis de la dinámica de la señal a lo largo del patrón de motilidad intestinal en ayunas. Se ha valorado el grado de estacionariedad de la señal en cada estado de actividad contráctil para distintos anchos de ventana. El estudio finaliza con la definición de un algoritmo que proporciona un ancho de ventana variable, adaptando el análisis del EEnG al contenido espectral de la señal en cada momento. Esto permite generar un indicador no-invasivo de actividad contráctil intestinal, rápido de obtener, para futuras aplicaciones en tiempo real. De los resultados obtenidos se extraen tres conclusiones fundamentales: - Es posible identificar tanto la actividad de la onda lenta intestinal como la actividad de los potenciales rápidos de acción (SB) en el registro del EEnG de superficie. - La cuantificación de la actividad de los SB del EEnG de superficie permite la monitorización no invasiva de la actividad mecánica del intestino delgado. - Se ha desarrollado un método de análisis adaptativo que mejora los índices de motilidad intestinal basado en técnicas tradicionales, ya que tiene en cuenta la no estacionariedad del EEnG.

[CA] La motilitat intestinal és responsable de les funcions de segmentació, mixtió i transport del quimo abocat des de l'estómac. Aquestes funcions són fonamentals en els processos de digestió i absorció de nutrients. L'activitat contràctil intestinal està determinada per l'activitat mioelèctrica de les capes musculars intestinals. Concretament, l'activitat mioelèctrica intestinal, també denominada electroenterograma (EEnG), és el resultat de dos components: una component de baixa freqüència que està sempre present (ona lenta, OL); i una component d'alta freqüència (potencials ràpids d'acció o spike bursts, SB) que està associada directament a les contraccions intestinals. A pesar del valor diagnòstic dels registres interns del EEnG, la seva aplicació clínica està limitada a causa de el seu caràcter invasiu. Per tant, el registre en superfície del EEnG podria ser una solució al monitoratge no-invasiu de la motilitat intestinal. L'objectiu de la present tesi doctoral és el registre de l’electroenterograma de superfície i la identificació de l'activitat de l'ona lenta i dels spike bursts per a la quantificació no-invasiva de l'activitat contràctil intestinal en gos. S'han portat a terme registres simultanis del EEnG en la serosa intestinal i en superfície abdominal de gossos Beagle en estat de dejunes. Ambdues senyals s'han analitzat en el domini espectral per a la determinació dels rangs de freqüència on es localitza l'energia tant de la OL com dels SB. Així mateix s'ha estudiat la influència de les capes abdominals i de possibles interferències sobre el registre extern. Per a això ha estat necessari desenvolupar les funcions senyal-interferència i d'atenuació inèdites fins a la data. Tenint en compte aquests efectes d'atenuació i interferència, s'han definit distints paràmetres espectrals del EEnG de superfície que quantifiquen l'existència i intensitat de SB. Aquests paràmetres han mostrat una elevada correlació amb el grau d'activitat contràctil intestinal intern. La investigació sobre el EEnG de superfície es completa amb una anàlisi de la dinàmica del senyal al llarg del patró de motilitat intestinal en dejú. S'ha valorat el grau de estacionarietat del senyal en cada estat d'activitat contràctil per a distints amples de finestra. L'estudi finalitza amb la definició d'un algorisme que proporciona un ample de finestra variable, adaptant l'anàlisi del EEnG al contingut espectral del senyal a cada moment. Això permet generar un indicador no-invasiu d'activitat contràctil intestinal, ràpid d'obtenir, per a futures aplicacions en temps real. Els resultats obtinguts permeten extreure tres conclusions fonamentals: - És possible identificar tant l'activitat de l'ona lenta intestinal com l'activitat dels potencials ràpids d’acció (SB) en el registre del EEnG de superfície. - La quantificació de l'activitat dels SB del EEnG de superfície permet el monitoratge no invasiu de l'activitat mecànica de l'intestí prim. - S'ha desenvolupat un mètode d'anàlisi adaptatiu que millora els índexs de motilitat intestinal basat en tècniques tradicionals, ja que té en compte la no-estacionarietat del EEnG.