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Ingeniería Biomédica
Curso 2010
•Anatomía y fisiología cardíaca – vías de conducción
intracardíacas
•Elementos de proyecto de marcapasos
21.09.2010
Ing. Franco Símini
Ing. Daniel Geido
Ing. Jorge Lobo
Ing. Eduardo Santos
Br. Adrian Silveira
Br. José Pereira
Corazón
El corazón de un individuo de
73 años se contrajo 2600
millones de veces
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
Distribución del gasto cardíaco
•
•
•
•
•
•
Cerebro 13%
Coronarias 4%
Hígado y tracto intestinal 24%
Músculos 21%
Riñón 20%
Piel y otros 18%
gasto cardíaco paciente 70 Kg, 5.5 L/min
sistema de alta presión y
sistema de baja presión
• Arterias: entre 120 y 80 mmHg
• Arteria pulmonar* y venas: 25 y 10 mmHg
(reservorio)
* es arteria pero impulsada por el VD (más débil)
Nodos senoatrial y auriculoventricular
Sistema eléctrico del corazón
Atrioventricular Node
Left Atrium
Bundle of His
Internodal Pathways
Left Bundle Branch
Sinoatrial Node
Right Atrium
Left Ventricle
Right Bundle Branch
Right Ventricle
Purkinje Fibers
Vías de conducción y ECG
nodo senoatrial
nodo atriventricular
rama izquierda del Haz
(fasc der e izq.)
rama derecha del Haz
fibras de Purkinje
P
T
QRS
P
QRS
T
depolarización de la aurícula
depolarización del ventriculo
repolarización del ventriculo
ritmo sinusal normal
nodo senoatrial
12:56 29MAR96
ECG normal
PADDLES X1.0 HR = 74
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 Clsale 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
El impulso comienza en el nódulo senoatrial
y origina la contracción de la aurícula
aurículas
nodo senoatrial (SA)
ventriculos
nodo atrioventricular (AV)
Luego, el impulso se conduce hasta el nódulo
atrioventricular con un retardo de 120 ms
y
aurículas
nodo SA
ventrículos
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
ECG y potencial de acción
1.0
R
+40
Potencial de acción
0
ECG Electrocardiograma
0.5
T
P
0
-80
Q
mV
mV
S
0
200
400 ms 600
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)
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.)
Time out
S
Pace
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
Sense
Time out
S
Pace
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.
Sense
A
R Tout
A Tout
Pace
R
Diagrama de estados de un marcapasos
bicameral en versión simplificada (Arzuaga et al.)
V Sense
A Sense
A
V Sense
V
A Tout A Pace
R
AV ToutV Pace
R Tout
• Esquema general de un marcapasos
Oscilador
Fuente
Pulso
cables
electr.
telemetría
Registro
Procesador
estimulador
electrodos
Sensor de
metabolismo
corazón
Diagrama en bloques de un marcapasos
El marcapasos contiene
• batería que provee la
energía los impulsos
eléctricos al corazón,
las comunicaciones y
el programa
• circuitos de
funcionamiento
• catéteres A y V
circuito
bateria
catéter
auricular
catéter
ventricular
los componentes del marcapaso se unen al
tejido para completar un circuito
•
•
•
•
•
batería del m
catéteres
cátodo (-)
ánodo (+)
tejidos
catéter
marcapasos
anodo
cátodo
Catéteres: son conductores metálicos
aislados con electrodos en la parte distal
• Liberan impulsos
eléctricos
• Sensan la
depolarización
cardíaca
catéter
marcapasos bicameral tiene dos catéteres
• Un catéter
implantado en la
aurícula
• Un catéter
implantado en el
ventrículo
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 frecuencia
B - 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
catéter
zona de injuria
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
Blood
Tissue
Ablation catheter
Highest temperature reached
one millimeter below tissue surface
Tissue
approx.
5 - 10 mm Ø
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.h
tm
• Indicaciones médicas de los marcapasos:
http://www.rjmatthewsmd.com/Definitions/permanent
_pacing.htm
• Tipos de conexiones:
http://sprojects.mmi.mcgill.ca/heart/EKGtext/egbr000
314r001.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