Ingeniería Biomédica 2020

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Ingeniería Biomédica 2020

• Anatomía y fisiología cardíaca – vías de conducción intracardíacas Sustitución de las funciones cardíacas, Prótesis

Elementos de proyecto de marcapasos

2 de setiembre de 2020

Prof. Franco Simini, Ing. Maria Rene Ledezma y Br. Alicia Schandy

Profesores invitados: Isabel Morales, Javier Hurtado, Gonzalo Ferreira, Guillermo Agorrody, Andrea Mattiozzi, Carolina Olano

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El corazón de un individuo de

73 años se contrajo

3 x 10

9

veces

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Cavidades y vasos

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circulaciones

• AI, VI y aorta

: sangre

oxigenada

hacia los

órganos y músculos

• _{AD, VD y arteria pulmonar}

_{: sangre hacia}

los pulmones

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Circulación coronaria: alimentación del

propio corazón

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Distribución del volumen de sangre

en el sistema circulatorio

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• Cerebro 13%

• _{Coronarias 4%}

• Hígado y tracto intestinal 24%

• _{Músculos 21%}

• Riñón 20%

• _{Piel y otros 18%}

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• _{Arterias: entre 120 y 80 mmHg}

• _{Arteria pulmonar}

*

_{y venas: 25 y 10 mmHg}

sistema de alta presión y

sistema de baja presión

*

es arteria pero impulsada por el VD (más débil)

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Sistema eléctrico del corazón

Left Atrium Atrioventricular Node Bundle of His

Left Bundle Branch

Left Ventricle

Purkinje Fibers Right Ventricle

Right Bundle Branch Right Atrium

Sinoatrial Node

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Vías de conducción y ECG

nodo senoatrial

nodo atriventricular

rama izquierda del Haz (fasc der e izq.)

rama derecha del Haz

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ritmo sinusal normal

nodo senoatrial

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

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Potencial de acción de la célula del

músculo cardíaco

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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)

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• Fase 0 depolarización: entra Na+, Ca++ y Cl-sale K+

• Fase 1 repolarización rápida entra

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

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Marcapasos natural

células cardíacas tienen un potencial

de acción especial que permite el

disparo espontáneo periódico

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ventriculos

nodo senoatrial (SA)

nodo atrioventricular (AV)

aurículas

El impulso comienza en el nódulo senoatrial

y origina la contracción de aurículas

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aurículas

ventrículos nodo SA

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

y

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

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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

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Fibras de Purkinje

Conectan la parte terminal de las ramas del haz de His formando una red en la superficie endocárdica de ambos ventrículos

Solo penetran en el tercio interno del endocardio. Se continúan con células de transición confundiéndose en miocardio ventricular

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fases de

contracción

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Potencial de acción

ECG Electrocardiograma

ECG y potencial de acción

0 0.5 1.0 mV 0 200 400 _ms600 P Q S T R mV -80 +40 0

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120 80 40 0 140 70 25 0 Ruidos cardíacos Presion mm Hg Flujo aortico l.min-1 Volumen ventricular, ml a 1 4 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

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120 80 40 0 140 70 25 0 ECG a R Q S P 1 4 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 Presion mm Hg Flujo aortico l.min-1 Volumen ventricular, ml Ruidos cardíacos Pulso venoso EL CICLO CARDIACO

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120 80 40 0 140 70 25 0 a c 1 ₂ 4 Valvula mitral cierra Valvula aortica abre 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 Presion mm Hg Flujo aortico l.min-1 Volumen ventricular, ml Ruidos cardíacos EL CICLO CARDIACO

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120 80 40 0 140 70 25 0 a c v R Q S P T 1 ₂ 4 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 Presion mm Hg Flujo aortico l.min-1 Volumen ventricular, ml Ruidos cardíacos Pulso venoso EL CICLO CARDIACO ECG

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120 80 40 0 140 70 25 0 a c v 1 ₂ ₃ 4 La valvula mitral se abre 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 Presion mm Hg Flujo aortico l.min-1 Volumen ventricular, ml Ruidos cardíacos EL CICLO CARDIACO La valvula aortica se cierra valvula aortica abre Valvula mitral cierra

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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”

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Prótesis

Sustituye algunas funciones del

cuerpo humano para permitir la

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Sistemas de prótesis

• Sentidos (vista, oído)

• Funciones (diálisis, marcapasos, corazón

artificial)

• Mecánicas (cadera)

• Conductos (vasculares, tráquea)

• Transporte (sillas de ruedas)

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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)

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Correcciones

• fármacos

• marcapasos (implantados y externos)

• electrofisiología cardiaca

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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

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Proyecto de marcapasos

• asincrónico

– puede estim en momento vulnerable (FV) – consumo innecesario

– alteraciones bioquímicas

• sincrónico: a demanda

– detecta el ECG

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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

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Marcapasos

Prótesis de la estimulación

oportuna y adecuada del corazón

además:

herramienta de diagnóstico

herramienta de seguimiento

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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., 2007)

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Sensado

“

sensado”: detección de señales

propias del corazón

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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

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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

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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 Pace A Pace

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Oscilador Pulso cables electr.

Fuente

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Sensor de metabolismo estimulador Procesador telemetría Registro corazón electrodos

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• _{batería que provee} energía • _{programa de} comunicaciones • programa • circuitos circuito bateria

El marcapasos contiene

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• _batería

• catéteres

• _{cátodo (-)}

• _{ánodo (+)}

• _tejidos

marcapasos catéter anodo cátodo

los componentes del marcapaso se unen al

tejido para completar un circuito

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• _{Liberan impulsos}

eléctricos

• _{Sensan la}

depolarización

cardíaca

catéter

Catéteres: son conductores metálicos

aislados, con electrodos en la parte distal

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• _{Un catéter}

implantado en la

aurícula

• _{Un catéter}

implantado en el

ventrículo

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Ubicación subcutánea con

catéteres en vasos

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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.

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Clasificación de marcapasos

Letra

Acción

Opciones

1 “paced” estímulo S (Single), A (Atrial), D (doble), 0(ning) 2 “sensed” sensa S (Single), A (Atrial), D (doble), 0(ning) 3 “response” sincronismo I(Inhibited) T(triggered)

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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

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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.)

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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

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electrodos

• corrientes de iones a c. de electrones

– gases – corrosión de metales • bipolares – eliminan interferencias – son dos • unipolares

(61)

electrodos

• endocardíacos (en la cavidad)

• miocárdicos (en la pared)

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contacto catéter - tejido

area de miocardio

afectada

zona de injuria

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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 para lograr la misma estimulación

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Pulso de estimulación de un

marcapasos

• _{valores típicos:}

corriente 10 mA, 1 ms

voltaje 5 V, 0.5 ms

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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.

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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

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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

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Reprogramación y confiabilidad

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

• hasta 40 modos de Estim. y de Sensado combinados

• envío de nuevo programa (tablas) • redundancia de programas

• “Gracefully degrading”al igual que el corazón:

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variedad de “marcapasos”

• marcapasos asincrónico (A00 V00)

• marcapasos sincrónico (VVI VVT, etc.)

• desfibrilador (IAD)

• cardioverter (desfibrilador sincronizado)

• marcapasos externo

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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

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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 flujo sanguíneo enfría la punta del catéter y}

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Temperatura y tamaño de la lesión

Tissue

Ablation catheter

Blood

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La electrofisiología cardíaca

evita muchas intervenciones a

corazón abierto y tratamientos

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• 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/perman ent_pacing.htm

• CCC del Uruguay www.ccc.com.uy/

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