ingeniería biomédica

Ingeniería Biomédica

Curso 2010

•Anatomía y fisiología cardíaca – vías de conducción intracardíacas

•Elementos de proyecto de marcapasos

21.09.2010Ing. Franco SíminiIng. Daniel GeidoIng. Jorge Lobo

Ing. Eduardo SantosBr. Adrian SilveiraBr. José Pereira

El corazón de un individuo de 73 años se contrajo 2600

millones de veces

Corazón

Cavidades y vasos

Azul - sin oxigenar (derecha) Rojo – oxigenado (izquierda)

circulaciones

• AI, VI y aorta: sangre oxigenada hacia los órganos y músculos

• AD, VD y arteria pulmonar: sangre hacia los pulmones

• Circulación coronaria: arterias y venas coronarias

Circulación coronaria: alimentación del propio corazón

Distribución del volumen de sangre en el sistema circulatorio

• Cerebro 13%

• Coronarias 4%

• Hígado y tracto intestinal 24%

• Músculos 21%

• Riñón 20%

• Piel y otros 18%

Distribución del gasto cardíaco

gasto cardíaco paciente 70 Kg, 5.5 L/min

• Arterias: entre 120 y 80 mmHg

• Arteria pulmonar* y venas: 25 y 10 mmHg (reservorio)

sistema de alta presión ysistema de baja presión

* es arteria pero impulsada por el VD (más débil)

Nodos senoatrial y auriculoventricular

Sistema eléctrico del corazón

Left AtriumAtrioventricular Node

Bundle of His

Left Bundle Branch

Left Ventricle

Purkinje FibersRight Ventricle

Right Bundle Branch

Right Atrium

Sinoatrial Node

Internodal Pathways

Vías de conducción y ECG

nodo senoatrialnodo atriventricular

rama izquierda del Haz(fasc der e izq.)

rama derecha del Haz

fibras de Purkinje

P depolarización de la aurículaQRS depolarización del ventriculo T repolarización del ventriculo

P T

QRS

ritmo sinusal normal

nodo senoatrial

12:56 29MAR96 PADDLES X1.0 HR = 74

ECG normal

Potencial de acción de la célula del músculo cardíaco

no hay automatismo

Potencial de acción de la célula cardíaca con automatismo

Fase 0 despolarización o activación Fase 1 repolarización o recuperación rápida

Fase 2  meseta o plateau Fase 3 fin de repolarización 

Fase 4 diastólica (sube hasta que se autodispara)

www.gratisweb.com/cvallecor/Fisiologia2.htm

• Fase 0 depolarización: (- in + out) entra Na+, Ca++ y Cl- sale K+

• Fase 1 repolarización rápida entra Cl-

• Fase 2 repolarización lenta: entra Na+ y Ca++ sale K+

• Fase 3 sale K+

• Fase 4 “potencial de reposo” sale Na+ y entra K+ (bomba sodio potasio)

Marcapasos natural

células cardíacas tienen un potencial de acción especial que permite el disparo espontáneo periódico

ventriculos

nodo senoatrial (SA)

nodo atrioventricular (AV)

aurículas

El impulso comienza en el nódulo senoatrial y origina la contracción de la aurícula

aurículas

ventrículos

nodo SA

Luego, el impulso se conduce hasta el nódulo atrioventricular con un retardo de 120 ms

y

nodo atrioventricular (AV)

Conducción hacia abajo por las ramas del sistema His-Purkinje para contraer los ventrículos

Secuencia natural de conducción

• pulso en nodo SA• propagación radial a ambas aurículas• (fibras inertes eléctricamente separan A

de V)• propagación al nodo AV (retardo)• propagación al haz de His• fibras de Purkinje a todos los rincones de

los V

fases de contracción

y el ECG

Potencial de acción

ECG Electrocardiograma

ECG y potencial de acción

0

0.5

1.0

mV

0 200 400 600ms

P

Q

S

T

R

mV

-80

+40

0

Redundancia de marcapasos naturales

• nodo SA (70 por minuto)

• nodo AV (55 por minuto aprox)

• en los ventrículos (30 por min aprox)“Gracefully degrading” system o

“sistema que reduce su funcionalidad en caso de falla, pero no para”

Prótesis

Sustituye algunas funciones del cuerpo humano para permitir la

vida o mejorar su calidad

Sistemas de prótesis

• Sentidos (vista, oído)

• Funciones (diálisis, marcapasos, corazón artificial)

• Mecánicas (cadera)

• Conductos (vasculares, tráquea)

• Transporte (sillas de ruedas)

• Interfaz persona/máquina (teclados especiales,

Anormalidades de la actividad eléctrica del corazón

• bradicardias• falla del ritmo del SA (B sinusal)• propagación (bloqueos de 1er a 3er grado)• taquicardias• automatismo (repolarizacion muy rápida)• reentrante (cond.en lazo local, por p. refractario)• gatillado (2da polariz. por reingreso de iones)

necesitan algún tratamiento …

Correcciones

• fármacos

• marcapasos (implantados y externos)

• electrofisiología cardiaca

Marcapasos

• estimula el corazón cuando una de las varias funciones fisiológicas falla:– pulso– tiempo refractario– Etc.

• inicialmente solo para el bloqueo total• ahora se adapta a la situación • asincrónico• sincrónico (a demanda o gatillado)• inclusión de lazos de realimentación

Proyecto de marcapasos

• asincrónico– puede estim en momento vulnerable (FV)– consumo innecesario – alteraciones bioquímicas

• sincrónico: a demanda– detecta el ECG– algoritmo (tope de bradicardia)– algoritmos complejos

• sincrónico: sobre la onda R (siempre)

Proyecto de marcapasos

• Prever la degradación de características, a consecuencia de sucesos:– Aumento de resistencia de electrodo– Desconexión de electrodo– Ausencia de sensado de actividad cardíaca

espontánea

Es un “gracefully degrading system” sistema de características que se limitan en forma prevista

Marcapasos

Prótesis de la estimulación oportuna y adecuada del corazón

(herramienta de diagnóstico)(herramienta de seguimiento)

S

Time out

Pace

Diagrama de estados de un marcapasos primitivo. Se utilizan los siguientes símbolos: [S] es el estado de la

Máquina (único en este caso); [Time out] es el evento que hace evolucionar la Máquina; [Pace] es la acción que

ocurre al efectuarse la transición. (Arzuaga et al.)

Sensado

“sensado”: detección de señales propias del corazón

Diagrama de estados de un marcapasos a demanda. [S] es el estado de la Máquina; [Sense] es el resultado de un latido espontáneo del corazón; [Time out] es el evento interno;

[Pace] es la acción que ocurre al efectuarse la transición

Pace

Time outSense

S

Diagrama de estados de un marcapasos a demanda con período refractario. [A] Estado de Alerta en el que se sensa, [R] Estado Refractario en el que se ignora la

actividad cardíaca. Los eventos son [Sense] evento de sensado; [A Tout] transcurrió el tiempo máximo de espera

de un sensado y [R Tout] transcurrió el Período Refractario. La única acción es [Pace] el Estímulo.

PaceA Tout

Sense

A RR Tout

Diagrama de estados de un marcapasos

bicameral en versión simplificada (Arzuaga et al.)

A V R

A Tout

A Sense

AV Tout

V Sense

V Sense

R Tout

V PaceA Pace

Oscilador    Pulso    cables   electr.

Fuente

• Esquema general de un marcapasos

Sensor demetabolismo

estimuladorProcesador

telemetría

Registro

corazón

electrodos

Diagrama en bloques de un marcapasos

• batería que provee la energía los impulsos eléctricos al corazón, las comunicaciones y el programa

• circuitos de funcionamiento

• catéteres A y V

circuito

bateria

El marcapasos contiene

catéter auricular catéter

ventricular

• batería del m

• catéteres

• cátodo (-)

• ánodo (+)

• tejidosmarcapasos

catéter

anodo

cátodo

los componentes del marcapaso se unen al tejido para completar un circuito

• Liberan impulsos eléctricos

• Sensan la depolarización cardíaca

catéter

Catéteres: son conductores metálicos aislados con electrodos en la parte distal

• Un catéter implantado en la aurícula

• Un catéter implantado en el ventrículo

marcapasos bicameral tiene dos catéteres

Marcapasos 1960, externo

Marcapasos

60 gramos, 30 mm

Clasificación de marcapasos

XYZ (de la ICHD)

X - cavidad estimulada (A, V, D)Y - actividad detectada (A,V, D)Z - respuesta al "sensado" (I, T, D)

XYZ AB (código NBG)

A - capacidad de programacion y de modulación de frecuenciaB - funciones anti taquicardia

• Inter-Society Commission on Heart Disease Resources (ICHD)

• La North American Society of Pacing and Electrophysiology (NASPE) y la British Pacing and Electrophysiology Group (BPEG) extendieron la clasificación ICHD a las cinco letras conocidas como el código NBG.

Ejemplos

• VVI estimulación ventricular, con sensado ventricular y estimulación inhibida por latidos (ventriculares)

• VVT genera estimulo en sincronía con onda R

• DDI estimulación y sensado en ambas cavidades izquierdas, inhibición de estimulo.

Alimentación

• 30 micro W (carga alcanza 7 años)

• Hg-Zn– emana gas (encapsulado imposible)– caída brusca de V al agotarse

• Li-I (Li-AgCr, Li-CuS, etc.)– sin gas– anticipa descarga

cables de conexión (“leads” o catéteres)

• conductores de varios hilos

• resistentes a repetidas flexiones  (72 lpm por 10 años = 380 Mflexiones)

• espirales de 30 cm

• aislados – "silicone rubber“– poliuretano

electrodos

• corrientes de iones a c. de electrones– gases– corrosión de metales

• bipolares– eliminan interferencias– son dos

• unipolares– cátodo en el tejido, ánodo en caja– solo un cable

electrodos

• endocardíacos (en la cavidad)

• miocárdicos (en la pared)

• epicárdicos (en la superficie)

contacto catéter - tejido

area de miocardio afectada

zona de injuria

catéter

el radio r de contacto aumenta con los años

La estimulación necesita más potencia al deteriorarse el contacto con tejido vivo

• radio r• radio r + d (tejido modificado)

• corriente teórica It = K r2

• corriente crónica Ic = K (r+d)2

Ic/It = (1 + d/r)2

Ejemplo: radio aumenta 10% => 21% más corriente

Pulso de estimulación de un marcapasos

• valores típicos:

corriente 10 mA, 1 ms

voltaje 5 V, 0.5 ms

Retroalimentaciones posibles

indican metabolismo:

• acelerómetro (ejercicio en curso)• temperatura central (metabolismo aumentado)• saturación de O2

• movimientos toráxicos (frec. Resp. y Vminuto) • intervalo Q-T• cambio de volumen intraV• derivada de presión intraV• ritmo circadiano, etc.

uso adicional del marcapasos

• Medida de impedancia entre la caja del marcapasos y una o ambas puntas de catéter. Su procesamiento permite deducir la frecuencia ventilatoria instantánea y estimar el volumen minuto

Programación por telemetría

• bobina implantada RF• bobina externa RF

• modo programación• modo interrogación/confirmación• modo estado del marcapaso• modo descarga señales y tiempos (AV, etc.)• modo monitoreo

Reprogramación y confiabilidad

• 30% de DDD pasan a VVI antes 3 años (falla de conexión auricular)

• hasta 40 modos de E y de S• envío de nuevo programa (tablas)• redundancia de programas

variedad de “marcapasos”

• mp sincrónico

• desfibrilador (IAD)

• cardioverter (desfiblilador soncronizado)

• mp externo

Electrofisiología cardíaca

• Ablación (corte) por intermedio de RF aplicada localmente a tejido cardíaco en un paciente ambulatorio

• catéteres intracavitarios

• diversas fuentes de energía

• la ablación ha desplazado a las drogas antiarrítmicas en el manejo de arritmias

Tipos de Fuente de Energía

• RF• Microonda• Ultrasonido• Laser• Química• Frío• (quirúrgica)

W. Reyes, 2007

ablación por RF

• El catéter libera RF (300-700 kHz) por contacto directo

• RF calienta el tejido hasta profundidad de 2-3 mm a una temperatura de 45-100 grados C

• La lesión tiene un diámetro de 6 mm• El tejido calentado calienta la punta del catéter• El flujo sanguíneo enfría la punta del catéter y

el tejido.

Temperatura y tamaño de la lesión

Highest temperature reached one millimeter below tissue surface

approx. 5 - 10 mm Ø

Tissue

Ablation catheter

Blood

Tissue

La electrofisiología cardíaca evita muchas intervenciones a corazón abierto y tratamientos

farmacológicos crónicos

• Excelente libro finlandés que incluye fisiología cardíaca y marcapasos: http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/00/tx.htm

• Indicaciones médicas de los marcapasos: http://www.rjmatthewsmd.com/Definitions/permanent_pacing.htm

• Tipos de conexiones: http://sprojects.mmi.mcgill.ca/heart/EKGtext/egbr000314r001.html

• CCC del Uruguay www.ccc.com.uy/• Webster J G, 1998, capítulo 13• Simini F, 2007 cap 3, 4 y 5.

fin

www.nib.fmed.edu.uy