Ingeniería Biomédica Curso 2009

Presentación del tema: "Ingeniería Biomédica Curso 2009"— Transcripción de la presentación:

1 Ingeniería Biomédica 20.10.2009 Curso 2009
Anatomía y fisiología cardíaca – vías de conducción intracardíacas Prótesis Elementos de proyecto de marcapasos Ing. Franco Símini Ing. Daniel Geido Ing. Jorge Lobo Ing. Marcelo David

2 Corazón El corazón de un individuo de 73 años se contrajo 2600 millones de veces

3 Cavidades y vasos Azul - sin oxigenar (derecha) Rojo – oxigenado (izquierda)

4 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

5

6 Circulación coronaria: alimentación del propio corazón

7 Distribución del volumen de sangre en el sistema circulatorio

8 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

9 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)

10 Nodos senoatrial y auriculoventricular

11 Sistema eléctrico del corazón
Atrioventricular Node Left Atrium Bundle of His Internodal Pathways Left Bundle Branch Sinoatrial Node Right Atrium The heart has a network of specialized conductive fibers that conduct electrical impulses to the cardiac muscle tissues. This is the heart's "electrical" system. The network delivers electrical impulses directly to the cardiac muscle tissues which are stimulated to contract and pump blood. The pumping of the heart is the "mechanical" activity of the heart which results in a pulse. Left Ventricle Right Bundle Branch Purkinje Fibers Right Ventricle

12 Vías de conducción y ECG
nodo senoatrial nodo atriventricular rama izquierda del Haz (fasc der e izq.) rama derecha del Haz The heart's primary impulse generator is the sinoatrial (SA) node located in the right atrium. The impulse is carried through the cardiac muscle tissue of the atria. This causes the atria to contract. The impulse then travels through the network to the ventricles causing them to contract. The resulting action causes blood to be pumped through the body via connecting blood vessels. fibras de Purkinje P T QRS P depolarización de la aurícula QRS depolarización del ventriculo T repolarización del ventriculo

13 ritmo sinusal normal nodo senoatrial ECG normal
The electrocardiogram (ECG) is a measurement of the electrical activity in the heart. The impulses from the heart pass through body tissues and reach the skin where they can be detected by disposable electrodes placed on the skin. The ECG of a healthy heart shows an organized, uniform rhythm called normal sinus rhythm (NSR). 12: MAR96 PADDLES X1.0 HR = 74 ECG normal

14 Potencial de acción de la célula del músculo cardíaco
no hay automatismo

15 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)

16 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)

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

18 nodo atrioventricular (AV)
El impulso comienza en el nódulo senoatrial y origina la contracción de la aurícula aurículas nodo senoatrial (SA) ventriculos Initiation of the cardiac cycle normally begins with at the SA node. A resulting wave of depolarization passes through the right and left atria, which stimulates atrial contraction. nodo atrioventricular (AV)

19 nodo atrioventricular (AV)
Luego, el impulso se conduce hasta el nódulo atrioventricular con un retardo de 120 ms y aurículas nodo SA ventrículos Following contraction of the atria, the impulse proceeds to the AV node. The impulse slows at the AV node, which allows time for contraction of the atria. Just below the AV node, the impulse passes quickly through the bundle of His, the right and left bundle branches and the Purkinje fibers and lead to contraction of the ventricles. nodo atrioventricular (AV)

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

21 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

22 fases de contracción y el ECG

23 ECG y potencial de acción
1.0 +40 Potencial de acción ECG Electrocardiograma R 0.5 T P -80 Q mV mV S 200 400 600 ms

24 EL CICLO CARDIACO Sistole auricular 120 80 40 Presion mm Hg
3 4 5 6 7 EL CICLO CARDIACO 120 80 40 Presion mm Hg Sistole auricular Flujo aortico l.min-1 25 Ventriculos llenos de sangre Baja presion en los ventriculos Onda P en el ECG 140 70 Volumen ventricular, ml 1 4 Ruidos cardíacos a Pulso venoso R P ECG Q s

25 La válvula mitral se cierra
1 2 3 4 5 6 7 EL CICLO CARDIACO 120 80 40 La válvula mitral se cierra Presion mm Hg Contraccion isovolumetrica El ventriculo se contrae La presion aumenta en el ventriculo La valvula mitral se cierra Complejo QRS en el ECG Primer ruido Flujo aortico l.min-1 25 140 70 Volumen ventricular, ml 1 4 Ruidos cardíacos a Pulso venoso R P ECG Q S s

26 EL CICLO CARDIACO Eyeccion 120 80 Presion 40 mm Hg
3 4 5 6 7 EL CICLO CARDIACO Valvula aortica abre 120 80 40 Presion mm Hg Valvula mitral cierra Eyeccion La válvula aortica se abre La sangre entra en la aorta Onda T en el final del período del ECG Flujo aortico l.min-1 25 140 70 Volumen ventricular, ml 1 4 2 Ruidos cardíacos a c Pulso venoso R P T ECG Q S s

27 La valvula aortica se cierra
1 2 3 4 5 6 7 EL CICLO CARDIACO La valvula aortica se cierra valvula aortica abre 120 80 40 Presion mm Hg Relajación isovolumetrica El ventriculo se relaja La válvula aortica se cierra La presión baja en el ventrículo Segundo ruido Valvula mitral cierra Flujo aortico l.min-1 25 140 70 Volumen ventricular, ml 1 4 2 Ruidos cardíacos a c v Pulso venoso R P T ECG Q S s

28 EL CICLO CARDIACO Llenado 120 80 Presion 40 mm Hg
3 4 5 6 7 EL CICLO CARDIACO La valvula aortica se cierra valvula aortica abre 120 80 40 Presion mm Hg Llenado La valvula mitral se abre El ventrículo esta relajado La presion es baja en el ventrículo La válvula mitral se abre Los ventrículos se llenan de sangre Valvula mitral cierra Flujo aortico l.min-1 25 140 70 Volumen ventricular, ml 1 4 2 3 Ruidos cardíacos a c v Pulso venoso R P T P ECG Q S s

29 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”

30 Prótesis Sustituye algunas funciones del cuerpo humano para permitir la vida o mejorar su calidad

31 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,

32 Sistemas de rehabilitación

33 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

34 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

35 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 …

36 Correcciones fármacos marcapasos (implantados y externos)
electrofisiología cardiaca

37 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

38 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)

39 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

40 Marcapasos Prótesis de la estimulación oportuna y adecuada del corazón (herramienta de diagnóstico) (herramienta de seguimiento)

41 Diagrama de estados de un marcapasos primitivo
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.) S Time out Pace

42 “sensado”: detección de señales propias del corazón

43 Diagrama de estados de un marcapasos a demanda
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 out Sense S

44 Diagrama de estados de un marcapasos a demanda con período refractario
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. Pace A Tout Sense A R R Tout

45 Diagrama de estados de un marcapasos bicameral en versión simplificada (Arzuaga et al.)
A Tout A Sense AV Tout V Sense R Tout V Pace A Pace

46 Oscilador Pulso cables electr. Fuente
Esquema general de un marcapasos Oscilador    Pulso    cables   electr. Fuente

47 Diagrama en bloques de un marcapasos
telemetría Registro Procesador estimulador electrodos Sensor de metabolismo corazón Diagrama en bloques de un marcapasos

48 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 Lithium-iodine is the most commonly used power source for today’s pacemakers. Microprocessors (both ROM and RAM) control sensing, output, telemetry, and diagnostic circuits. bateria catéter auricular catéter ventricular

49 los componentes del marcapaso se unen al tejido para completar un circuito
batería del m catéteres cátodo (-) ánodo (+) tejidos catéter marcapasos In a bipolar system, body tissue is part of the circuit only in the sense that it affects impedance (at the electrode-tissue interface). In a unipolar system, contact with body tissue is essential to ground the IPG and allow pacing to occur. anodo cátodo

50 Catéteres: son conductores metálicos aislados con electrodos en la parte distal
Liberan impulsos eléctricos Sensan la depolarización cardíaca catéter

51 marcapasos bicameral tiene dos catéteres
Un catéter implantado en la aurícula Un catéter implantado en el ventrículo

52

53 Marcapasos 1960, externo

54 Marcapasos 60 gramos, 30 mm

55 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.

56 Clasificación de marcapasos
letra Acción Opciones 1ª Paced S (Single), A (Atrial), D (doble), 0(ninguno) 2ª Sensed S (Single), A (Atrial), D (doble), 0(ninguno) 3ª Response I(Inhibited) T(triggered) D(inh+trig) 0(ning.) 4ª Sensor R (Rate Response), N (ninguno)

57 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.

58 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

59 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

60 electrodos corrientes de iones a c. de electrones bipolares unipolares
gases corrosión de metales bipolares eliminan interferencias son dos unipolares cátodo en el tejido, ánodo en caja solo un cable

61 electrodos endocardíacos (en la cavidad) miocárdicos (en la pared)
epicárdicos (en la superficie)

62 contacto catéter - tejido
area de miocardio afectada zona de injuria el radio r de contacto aumenta con los años

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

64 Pulso de estimulación de un marcapasos
valores típicos: corriente 10 mA, 1 ms voltaje 5 V, 0.5 ms

65 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.

66 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 Increased tidal volume and rate increase transthoracic impedance, which increases the pacing rate.

67 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

68 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

69 variedad de “marcapasos”
mp sincrónico desfibrilador (IAD) cardioverter (desfiblilador soncronizado) mp externo

70 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

71 Tipos de Fuente de Energía
RF Microonda Ultrasonido Laser Química Frío (quirúrgica) W. Reyes, 2007

72 ablación por RF El catéter libera RF ( kHz) por contacto directo RF calienta el tejido hasta profundidad de 2-3 mm a una temperatura de 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.

73 Temperatura y tamaño de la lesión
Blood Tissue Tissue Ablation catheter approx. mm Ø Highest temperature reached one millimeter below tissue surface

74 La electrofisiología cardíaca evita muchas intervenciones a corazón abierto y tratamientos farmacológicos crónicos

75 Webster J G, 1998, capítulo 13 Simini F, 2007 cap 3, 4 y 5.
Excelente libro finlandés que incluye fisiología cardíaca y marcapasos: Indicaciones médicas de los marcapasos: Tipos de conexiones: CCC del Uruguay Webster J G, 1998, capítulo 13 Simini F, 2007 cap 3, 4 y 5.

76 fin