Información básica sobre el corazón
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Ingeniería Biomédica
Curso 2009
•Anatomía y fisiología cardíaca – vías de conducción intracardíacas
•Prótesis•Elementos de proyecto de marcapasos
20.10.2009
Ing. Franco SíminiIng. Daniel GeidoIng. Jorge Lobo
Ing. Marcelo David
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,
Sistemas de rehabilitación
CLICOC
Dispositivo que simula el “clic” de un mouse convencional por medio del parpadeo voluntario
del usuario.
Sistema adaptado en un armazón de anteojos que utiliza diodos emisores y foto receptores
PARPACAM
Cámara fotográfica ubicada mediante una vincha a la frente del paciente
Accionada por el parpadeo voluntario del paciente ó mediante un control a distancia
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