Ingeniería Biomédica

Curso 2006

•Anatomía y fisiología cardíaca – vías de conducción intracardíacas

•Prótesis•Elementos de proyecto de marcapasos

22.8.2006

Ing. Franco SíminiDr. Héctor Píriz

Ing. Daniel GeidoIng. Jorge Lobo

Cavidades y vasos

Azul – sin oxigenarRojo - oxigenado

circulaciones

• AD, VD y aorta: sangre oxigenada hacia los órganos y músculos

• AI, VI y arteria pulmonar: sangre hacia los pulmones

• Circulación coronaria, arterias y venas coronarias

Circulación coronaria

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

% del gasto cardíado paciente 70 Kg, 5.5 L/min

Marcapasos natural

• Células cardíacas tienen un Potencial de Acción especial

• Permite el disparo espontáneo periódico

Redundancia de marcapasos naturales

• nodo SA (70 por minuto)

• nodo AV (55 por minuto aprox)• en los ventrículos (30 por min aprox)

Nodos senoatrial y auriculoventricular

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

Sistema de conducción cardíaco

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

Derivaciones estandar

RA LA

LL

l

ll lll ll lll

l

LL

RA LA

+ +

+-

- -

REGISTRO DE LA SEÑAL ELÉCTRICA DEL CORAZÓN

Pulso venoso

120

80

40

0

140

70

25

0

Ruidos cardíacos

Presionmm Hg

Flujo aorticol.min-1

Volumenventricular, ml

ECG

a

R

QP

14

0 0.5 1.0 s

1 2 3 4 5 6 7

Sistole auricular

EL CICLO CARDIACO

•Ventriculos llenos de sangre•Baja presion en los ventriculos•Onda P en el ECG

120

80

40

0

140

70

25

0

ECG

a

R

Q SP

14

La válvula mitral

se cierra

0 0.5 1.0 s

1 2 3 4 5 6 7

Contraccion isovolumetrica

•El ventriculo se contrae•La presion aumenta en el ventriculo•La valvula mitral se cierra•Complejo QRS en el ECG•Primer ruido

Presionmm Hg

Flujo aorticol.min-1

Volumenventricular, ml

Ruidos cardíacos

Pulso venoso

EL CICLO CARDIACO

120

80

40

0

140

70

25

0

a c

R

Q SP T

1 24

Valvula mitral cierra

Valvula aortica

abre

0 0.5 1.0 s

1 2 3 4 5 6 7

Eyeccion

•La válvula aortica se abre•La sangre entra en la aorta•Onda T en el final del período del ECG

Presionmm Hg

Flujo aorticol.min-1

Volumenventricular, ml

Ruidos cardíacos

Pulso venoso

EL CICLO CARDIACO

ECG

120

80

40

0

140

70

25

0

a c v

R

Q SP T

1 24

Valvula mitral cierra

valvula aortica

abre

La valvula aortica se

cierra

0 0.5 1.0 s

1 2 3 4 5 6 7

Relajación isovolumetrica

•El ventriculo se relaja•La válvula aortica se cierra•La presión baja en el ventrículo•Segundo ruido

Presionmm Hg

Flujo aorticol.min-1

Volumenventricular, ml

Ruidos cardíacos

Pulso venoso

EL CICLO CARDIACO

ECG

120

80

40

0

140

70

25

0

a c v

R

Q SP T P

1 2 34

La valvula mitral se

abre

0 0.5 1.0 s

1 2 3 4 5 6 7

Llenado

•El ventrículo esta relajado •La presion es baja en el ventrículo•La válvula mitral se abre•Los ventrículos se llenan de sangre

Presionmm Hg

Flujo aorticol.min-1

Volumenventricular, ml

Ruidos cardíacos

Pulso venoso

EL CICLO CARDIACO

ECG

La valvula aortica se

cierra

valvula aortica

abre

Valvula mitral cierra

Prótesis

Sistemas de prótesis

• Sentidos (vista, oído)

• Funciones (diálisis, marcapasos, corazón artificial)

• Mecánicas (cadera)

• Conductos (vasculares, tráquea)

• Transporte

• Interfaz persona/máquina

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

Marcapasos

Prótesis de la estimulación oportuna y adecuada del corazón

(herramienta de diagnóstico)(herramienta de seguimiento)

Contracción natural del corazón

• espontánea• repetitiva• coordinada en diferentes zonas• resultado de varios lazos de re-

alimentación

Fenómenos que afectan el ritmo fisiológico

• velocidad de conducción

• periodo refractario de las células• automatismo del SA (y de otras zonas)

Anormalidades de la actividad eléctrica

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

Correcciones

• fármacos

• marcapasos (implantados y externos)

• electrofisiología cardiaca

Marcapasos

• estimula el corazón cuando el pulso falla

• inicialmente solo para el bloqueo total

• ahora se adapta a la situación

• asincrónico

• sincrónico (a demanda o gatillado)

• inclusión de lazos de realimentación

Oscilador    Pulso    cables   electr.

Fuente

• Esquema general de un marcapasos

Implementación de retardo en estímulo, para simular tiempo de conducción auriculo-ventricular

Sensor demetabolismo

estimuladorProcesador

telemetría

Registro

corazón

electrodos

Diagrama en bloques de un marcapasos

Proyecto de marcapasos

• asincrónico– puede estim en momento vulnerable (FV)– Consumo– 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

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.)

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

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.

Sensado

“sensado”: detección de señales propias del corazón

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”)

• 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)

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

• diámetro r• diámetro 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• temperatura central• saturación de O2

• movimientos toráxicos • intervalo Q-T• cambio de volumen intraV• derivada de presión intraV• catecolamina• ritmo circadiano, etc.

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

• 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/

fin