Aparatura de stimulare cardiaca - Defibrilarea

Aparatura de stimulare cardiaca

Defibrilarea

Fibrilatia ventriculara este rezultatul depolarizarilor necontrolate localizate in muschiul cardiac. Acest proces afecteaza activitatea de pompare a sangelui de catre inima. Deoarece in aceasta situatie dupa 3 minute se produc distrugeri ireparabile ale creierului si moartea, este obligatorie interventia de urgenta in vederea restabilirii functiei cardiace. Instalarea fibrilatiei ventriculare apare datorita unor medicamente, tromboza coronariana, dereglari electrolitice sau electrosocuri la curenti de frecventa retelei .

Tratamentul acestei afectiuni se face prin depolarizarea in totalitate si sincron a muschiului cardiac . In urma depolarizari, nodurile Sino-Atrial si Atrio- Ventricular trebuie sa isi reia functia de pacemaker si sa restabileasca ritmul normal al inimii .

Metoda cea mai sigura si mai eficace de a opri fibrilatia ventriculara consta in a trece un puls de curent de scurta durata prin ventricule . Acest lucru poate fi realizat fie prin aplicarea electrozilor direct pe inima, fie cel mai adesea prin

plasarea electrozilor pe pieptul pacientului .

Defibrilarea se defineste ca fiind procesul electric de transmitere a unui curent prin electrozi spre muschiul cardiac al pacientului in scopul restabilirii ritmului cardiac. Acest curent se poate aplica;

. direct pe muschiul cardiac - curenti de valoare mica, metode chirurgical invazive; .Transtoracic - metode neinvazive care necesita in schimb curenti relativ mari.

Acest puls de curent are durata de aproximativ 10ms si amplitudinea maxima de 50 A . Forma lui este sinusoidala amortizata .

Daca apreciem impedanta pieptului dintre electrozi la 50 Ω putem calcula energia

aproximativa necesara defibrilarii :

unde I_v este curentul de varf, R este impedanta pieptului, iar t este durata pulsului . In conditiile date energia va fi de 320 J .

Acest impuls de defibrilare se obtine prin descarcarea unui condensator pe electrozii aplicati pacientului . In cazul in care circuitul de descarcare este realizat ca un simplu contact electric, circuitul echivalent va fi de tip RC. Forma impulsului de defibrilare in acest caz va fi o exponentiala. Varful de curent va avea o durata insuficienta depolarizarii, iar scaderea exponentiala ar putea induce refibrilarea . Defibrilatoarele moderne au inseriata o bobina in circuitul de descarcare ceea ce confera forma de sinusoida atenuata impulsului de defibrilare .

Datorita pierderilor de enrgie in condensator si bobina, energia inmagazinata va fi cu aproximativ 25 mai mare decat cea care ajunge la pacient. Valoarea maxima inmagazinabila este de 400 J .

O energie de 400 J este suficienta pentru defibrilarea unui adult voluminos folosind electrozi aplicati pe piept. Energia de defibrilare va fi redusa pentru adulti cu greutate mai mica sau pentru copii. Se apreciaza ca energia initiala pentru defibrilare sa fie de 3 J/Kg pentru electrozi externi si de 0.5 J/Kg pentru electrozi aplicati intern [ Paun - Medicina interna 1989 ] . Acest ultim tip de plasare a electrozilor se foloseste la defibrilarea pacientilor in timpul operatiilor pe cord, iar electrozii sunt plasati direct pe muschiul cardiac . Energia din condensator este limitata la max 50 J. Din aceasta cauza mufa defibrilatorului pentru electrozii interni este diferita de cea pentru cei externi.

Schema de principiu a unui defibrilator este prezentata in figura de mai jos:

Acest tip de unda se numeste    LOWN si forma ei depinde de rezistenta echivalenta intre

electrozi .

Comutatorul folosit de defibrilator este dublu si cupleaza armaturile condensatorului concomitent la circuitul de incarcare fie la electrozi . Acest comutator este de obicei un releu vidat, pentru evitarea formarii arcului electric la contacte . Condensatorul de inalta tensiune este umplut cu ulei si se incarca printr-o dioda de la un transformator ridicator de tensiune . Tensiunea din primarul transformatorului este controlata cu ajutorul unui autotransformator . Electrozii de pacient sunt metalici si au o forma plata cu diametrul de 10 cm avand manere izolante . Manerele sunt astfel proiectate incat sa impiedice

scurgerea gelului de contact spre mana operatorului, punandu-i viata in pericol .

Majoritatea defibrilatoarelor contin circuite de sincronizare a descarcarii cu unda R a ECG- ului . Acest regim de lucru permite realizarea cardioversiei . Termenul de cardioversie a fost introdus de Lown s colab. si se refera la restaurarea ritmului sinusal in tratamentul aritmiilor cardiace cu ajutorul socului electric de curent continuu, sincronizat, aplicat transtoracic .

Sincronizatorul asigura o intarziere de 20 ms aproximativ intre varful undei R si declansarea impulsului de defibrilare, in vederea evitarii zonelor de vulnerabilitate atriala si ventriculara ( unda T ) .

Unele defibrilatoare permit monitorizarea undei ECG prin electrozii de defibrilare. Exista variante de aparate de defibrilare potabile echipate cu baterii de alimentare reancarcabile . Verificarea bunei functionari a defibrilatorului se poate face prin

descarcarea pe o sarcina artificiala .

Schema unei astfel de sarcini este data in figura de mai jos:

In caz de buna functionare becul cu neon trebuie sa se aprinda . Unele defibrilatoare au construita intern o asfel de sarcina de testare .

Exista si alte tipuri de impulsuri de defibrilare .

Energia furnizata pacientului este proportionala cu suprafata delimitata de axa timpului si curba .

O alta metoda de reglare a energiei inmagazinata in condensator consta in utilizarea unui circuit de control al incarcarii . Sursa de inalta tensiune furnizeaza

la iesire o valoare constanta.

Un circuit de comparare (A) controleaza sursa de inalta tensiune astfel incat in momentul in care tensiunea de pe condensator egaleaza valoarea prescrisa de potentiometrul P , incarcarea condensatorului este intrerupta . Schema unui circuit de descarcare sincrona este prezentata in figura de mai jos:

Circuitul se compune dintr-un amplificator ECG ( A) , un circuit de detectie a undei R si formare a impulsurilor de comanda pentru tiristorul T . In cazul in care comutatorul S este pus pe pozitia ' instantaneu ' , bobina de comanda a releului de descarcare L va fi comandata prin apasarea butonului B . In cazul in care S va fi pe pozitia ' sincron ' , comanda bobinei se va realiza doar in cazul in care s-a detectat unda R .

Schema bloc a unui defibrilator este data in figura de mai jos:

Semnalul ECG alimenteaza detectorul DR care extrage unda R din semnal. Blocul FI va genera un impuls TTL cu durata 240 ms sincron cu unda R. Acest semnal va comanda atat modulul de afisare digitala cat si circuitul de comanda a incarcarii si descarcarii in regim sincronizat. Condensatorul de defibrilare Cd se incarca de la redresorul de inalta tensiune RT pana la maximum 5 KV. Oscilatorul OSC alimenteaza redresorul cu un semnal de 1 KHz. Comparatorul C urmareste incarcarea condensatorului Cd si controleaza functionarea oscilatorului. Energia din condensator este citita de blocul RMS flotant si informatia este apoi transmisa demodulatorului DEM. Comanda incarcarii si descarcarii condensatorului este data de blocul CID in modurile 'Direct' si 'Sincro'. Descarcarea condensatorului Cd prin electrozi pe pacient se face prin inchiderea contactelor releului RP.

Amplasarea electrozilor la defibrilare se poate face in doua moduri: pozitie antero- laterala si pozitie antero-posterioara

Cel mai adesea este folosita amplasarea antero-laterala (fig. a).In felul acesta curentul va trece de-a lungul axei longitudinale a inimii cuprinzand cea mai mare parte a masei musculare cardiace.Electrozii nu vor fi plasati pe stern sau in pozitii apropiate unul de celalalt deoarece tesutul osos are o impedanta si poate scadea eficacitatea socului electric, iar plasarea apropiata duce la scurtcircuitarea traseului curentului facand defibrilarea ineficienta.

Fixarea toracica a electrozilor trebuie pregatita prin degresarea atenta a pielii cu eter, pentru a reduce la minimum rezistenta transcutanata si prin aplicarea pe electrozi a unei paste buna conducatoare de electricitate realizand astfel un bun contact electric, un transfer de energie electrica cat mai bun si o leziune cutanata minima.

Realizarea defibrilarii se face dupa ce s-a facut anestezierea pacientului in caz ca acesta era constient.

Inima nu poate sa-si indeplineasca functia de pompa in mod eficient numai daca primeste in mod regulat semnale de stimulare de la nodul Sino - Atrial .

In cazul in care aceste impulsuri nu pot sa ajunga la ventricule functionarea inimii va fi asigurata de impulsuri de frecventa joasa ( 30 - 40 imp/min ) provenite de la nodul Atrio - Ventricular . Aceasta afectiune poarta numele de Bloc Sino-Atrial.

.Cauzele acestui sindrom sunt multiple : congenital , de la operatii chirurgicale, afectiuni ischemice ale inimii , artrita reumatoida sau alte boli. Prezentarea clasica a blocului cardiac este cunoscuta sub numele de boala Stokes - Adam , descrisa pentru prima oara in 1761 . Afectiunea se prezinta printr-o bradicardie extrema ( ritm cardiac foarte lent ) sau tahicardie ventriculara ( ritm cardiac foarte rapid ) si are ca rezultat pierderea functiei de pompare a ventriculelor, iar pacientul isi pierde constiinta in cazul in care circulatia cerebrala nu este realizata. Atacurile sunt de

scurta durata de obicei, iar pacientul redevine constient dupa aproximativ 1 min .

Aritmii cardiace datorate blocului SA

Tratamentul Blocului Atrio - Ventricular se face prin utilizarea unui stimulator de ritm ( pacemaker ) care este de obicei implantabil .

Acest dispozitiv va suplinii impulsurile nodului Sino - Atrial si va restabili functia de pompare a inimii .

Exista doua tipuri de stimulatoare cardiace :

cu frecventa constanta , independenta de activitatea intrinseca a inimii

necompetitive ( evita competitia pe una din caile de mai jos ) sau demand, sunt inhibate de impulsurile de depolarizare intrinseci ale inimii ,

functioneaza si in absenta activitatii intrinseci .

Pentru evitarea confuziilor in legatura cu functionarea diferitelor stimulatoare a fost propus un cod de trei litere cu urmatoarea semnificatie :

Codurile folosite sunt :

V - ventricul ,

A - atriu ,

D - camera dubla ( V + A )

I - inhibat ,

T - triggerat ,

O- fara contact .

Urmatoarele functii sunt valabile :

AAT - stimulator triggerat de depolarizarea atriala care da impuls de sustinere atriului ,

VOO - stimulator ventricular asincron ,

VVI - stimulator ventricular demand inhibat de depolarizarea ventriculara , VVT - stimulator tiggerat de depolarizarea ventriculara si care da impus de

sustinere ventriculului ,

DVI - stimulator care comada ambele camere secvential si este inhibat de depolarizarea ventriculara .

Stimulul produs de pacemaker poate fi unipolar sau bipolar .

.Se definesc ca surse de curent redus si factor de umplere mic utilizate la inducerea contractiilor musculare in muschiul cardiac.

.Pulsurile de curent pot fi injectate fie la suprafata cordului (epicard), fie in muschiul inimii (miocard), fie in cavitatea cardiaca (endocard);

.Se utilizeaza cand functia naturala de stimulare ritmica inceteaza.

Stimularea bipolara se face cu ajutorul a doi electrozi la capatul unui cateter introdus printr-o vena pana in camera inimii sau prin doi electrozi suturati in peretele extern al ventriculelor . In stimularea bipolara trombocitii se ataseaza de anod, crescand riscul de formare al trombilor . In aceste conditii este de preferat simularea unipolara care presupune plasarea anodului in organism departe de inima . Acest fapt va determina aparitia unui semnal mare la suprafata corpului usor de detectat in vederea urmaririi bunei functionari a pacemaker - ului . Totusi stimulatoarele unipolare sunt influientate in functionare prin interferente electro - magnetice . Au fost construite stimulatoare care revin la o frecventa fixa in cazul in care nivelul de interferenta este prea mare . Impulsul de stimilare are in general amplitudinea de 5 V si durata de 1 ms . Pacemaker-ul este implantat in organism impreuna cu sursa lui de energie.

.Produc o stimulare uniforma, independenta de necesarul organismului - stimulatoare cu rata cardiaca fixa.

.Cele mai simple stimulatoare - nu se mai folosesc in mod curent. .Generarea stimulului este declansata de un circuit oscilator;

.Pentru generatoarele de pulsuri de tensiune constanta, pulsurile de tensiune au nivele de 5..5.5V si durate de 500us..600us;

.Pentru generatoarele de pulsuri de curent pulsurile au 8..10mA pe durate de 1..1.2ms. .Frecventa de declansare e de 70 pulsuri/minut.

.Consum energetic: 35uW. Neglijand descarcarea bateriei, o baterie de 2000mAh ar tine 20 de ani.

Circuitul de iesire:

Cablurile de electrod. Caracteristici:

.Conductivitate marita;

.Rezistenta mecanica la torsionari frecvente datorate contractiilor muschiului cardiac;

.Izolare electrica buna;

.In mod curent se construiesc spiralat pentru a reduce efectele torsionarilor si sunt invelite in materiale compatibile biologic;

Stimulatoare unipolare:

.Un singur electrod in contact cu muschiul cardiac; .Se genereaza pulsuri negative;

.Electrodul de masa este localizat in alte parte a corpului.

Stimulatoare bipolare:

.Doi electrozi in contact cu muschiul cardiac; .Stimulul este aplicat diferential.

Electrozii de contact:

Proiectarea circuitelor stimulatorului trebuie facuta cu grija pentru a diminua consumul de energie . In mod curent sunt folosite trei tipuri de baterii :

Bateria mercur - zinc are o capacitate nominala de 1000 mAh la 20 °C din care se pot utiliza cca . 600 mAh la temperatura corpului . Se folosesc 5 celule inseriate avand o durata de operare de max . 3 ani .

Bateriile litiu - iod au o capacitate de 4000 mAh si sunt larg raspandite in prezent . Acest tip de celule nu degaja gaze si pot fi inchise ermetic . Durata maxima de operare a lor este limitata de rezistenta interna care creste treptat in timp . Se apreciaza ca durata maxima poate ajunge la 10 ani .

Bateriile nucleare folosesc plotoniu 238 si se bazeaza pe incalzirea de termocuple ca efect al iradierii lor cu raze α si X . Se estimeaza o durata de operare de peste 10 ani , dar pretul lor este mare. Pentru fabricarea bateriilor nucleare se poate utiliza si prometiu 147 care va emite radiatii β. Electronii vor genera perechi electron-gol intr-o structura semiconductoare producand astfel direct electricitate . Durata lor de operare ajunge la 5 -7 ani . S-au luat masuri de precautie extreme la realizarea acestor baterii

pentru a reduce la ninimum riscul emisiei radioactive .

O alta problema importanta este incapsularea pacemaker-ului care trebuie facuta cu un material biocompatibil . Nici o izolatie din plastic nu este perfect impenetrabila fluidelor biologice din organism. Pentru evitarea coroziunii, circuitul

electronic este inchis ermetic

.Se compun din elementele unui generator asincron si o bucla de reactie care sesizeaza ritmul natural cardiac;

.Ciruitul timer genereaza o rata constanta 60..80 pulsuri/minut; .Dupa fiecare puls generat, circuitul timer este resetat;

.Detectarea ritmului normal inhiba generatorul;

.Stimulul generat de nodul SA declanseaza generatorul;

.Circuitele de intarziere simuleaza intarzierea propagarii stimulului de la nodul SA la nodul AV (120ms); .Circuitul de intarziere de 500ms simuleaza perioada refractara;

.Circuitul de iesire comanda direct contractia ventriculara;

.Permite nodului SA sa controleze contractiile inlesnind autoreglajul fiziologic;

Electrod

ventricular

In figura urmatoare este prezentata schema bloc a unui stimulator cardiac sincron

Acest tip de pacemaker foloseste un singur electrod atat pentru sesizarea complexului normal QRS cat si pentru stimulare . Filtrul banda sesizeaza unda R normala cu durata intre 18 - 30 ms . Castigul amplificatorului trebuie redus in perioada refractara pentru a impiedica reciclarea eronata a impulsului la mai putin de 300 ms fata de QRS sesizat ( ex . declansat de o unda T asemanatoare unui QRS ) . Dublorul de tensiune din etajul final realizeaza un impuls ' economic ' de stimulare cu amplitudinea de 5 V si durata

sub 1 ms de la o baterie de numai 2,8 V .

Se defineste ' pragul de captura ' energia minima necesara pentru obtinerea depolarizarii ventriculare. Acest prag de captura depinde de tipul de electrod folosit, de amplasarea lui si de excitabilitatea cordului . In timp pragul de excitabilitate se

modifica dupa curba de mai jos:

In aceste conditii se prevede o amplitudine a impulsului de 2 - 4 ori mai mare fata de pragul de stimulare pentru a preveni efectele scaderii in timp a excitabilitatii inimii . Ultimele studii au aratat ca stimulii cu durata mai mica ( 0,5 - 0,6 ms ) , amplitudine 5 V / 10 mA pe o rezistenta tipica intre electrozi de 500 Ω pemit utilizarea unei baterii Li - I care asigura obtinerea initiala a unor impulsuri de 5,4 V ajungand in timp la 3,3 V pe o durata sigura de 14 ani .

Blocul de Test asigura testarea externa cu ajutorul unui magnet : se verifica banda de captura in regim asincron la 100 batai / min si nivelul de descarcare al bateriei ( sub 13

batai / min trebuie inlocuite bateriile ) .

Stimulatoare de ritm cardiac

In figura de mai jos este prezentat modul de implantare a pacemaker-ului in organism: