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Marcapasos Cardíacos Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 1 Contenido del Curso Fisiología Cardíaca Funcionamiento de Marcapasos Características del corazón como bomba Generación y propagación de las señales cardíacas Disfunciones eléctricas - Bradicardia, Taquicardia, Fibrilación Parámetros generales: frecuencia, amplitudes, anchos de pulso, sensibilidades, períodos refractarios, intervalo AV, Blanking Modos Funciones especiales: estadísticas, medida de impedancia de electrodos, pulsos de marcación, registro de ECG intracavitario, etc Electrónica de Marcapasos Características del circuito de estímulo Características del circuito de sensado Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 2 Fisiología Cardíaca Función del Sistema Cardiovascular Llevar Nutrientes y Oxígeno a todo el organismo. Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 4 Diagrama del Sistema Cardiovascular Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 5 Esquema mostrando la dirección del flujo de sangre en el corazón Tomado de Design of Cardiac Pacemakers editado por John G. Webster Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 6 El corazón como bomba 2 bombas en serie (corazón derecho e izquierdo) 72 contracciones por minuto (nominal, en reposo) 100.000 contracciones por día, 38 millones de contracciones en el año Gasto cardíaco = 4-7 l/minuto 8 m3/día, 3000 m3/año Necesidades variables Ritmo variable Estas características necesitan……. CONTROL Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 7 Polarización de las células Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 8 Estímulos que pueden activar células excitables Térmicos Mecánicos Corrientes eléctricas Campos magnéticos variables muy intensos Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 9 Experimento de Hodgkin y Huxley Tomado de Design and Development of Medical Electronic Instrumentation (David Prutchi y Michael Norris) Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 10 Estimulación Intracelular Tomado de Design and Development of Medical Electronic Instrumentation (David Prutchi y Michael Norris) Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 11 Estimulación Extracelular Tomado de Design and Development of Medical Electronic Instrumentation (David Prutchi y Michael Norris) Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 12 Tipos de Células cardíacas Tipo Contráctiles Autorítmicas Función Trabajo mecánico de bombeo Iniciar y conducir los potenciales de acción % 99 1 Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 13 Sistema de conducción cardíaco Tomado de Design and Development of Medical Electronic Instrumentation (David Prutchi y Michael Norris) Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 14 Ritmo intrínseco de diferentes tejidos Tejido Nódulo sinusal (SA) Potenciales de acción por minuto 60-80 Nódulo AV 40-60 Haz de His 20-40 Fibras de Purkinje 20-40 Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 15 QRS Normal Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 16 ECG Normal Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 17 Principales tipos de arritmia Bradicardia Taquicardia También (esporádicos) : – Contracción Ventricular prematura (PVC) – Contracción Auricular Prematura (PAC) Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 18 Principales causas de bradi-arritmias Ritmo nódulo sinusal bajo (< 60 ppm) Cese temporal o definitivo de actividad en nódulo sinusal (enfermedad del nódulo sinusal) Bloqueo AV Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 19 Tipos de bloqueos AV Primer grado Retardo excesivo en la conducción de la señal de despolarización de la aurícula al ventrículo (> 200 ms) Segundo grado Algunas de las señales generadas en la aurícula no pasan al ventrículo (diversos grados) Tercer grado (completo) Ninguna de las señales generadas en la aurícula pasan al ventrículo Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 20 Principales causas de taquiarritmias ventriculares Supraventriculares AV Nodal Reentry Tachycardia (AVNRT) Síndrome Wolff-Parkinson White (WPW) Ventriculares Taquicardia Ventricular (VT) – puede causar la muerte VT pueden derivar en Fibrilación Ventricular (VF) Para terminar una VF es necesario un choque eléctrico todas las células ventriculares depolarizan simultáneamente y puede restaurarse el ritmo sinusal. Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 21 PAC Generado por la despolarización espontánea de células del ventrículo. El ciclo posterior al PVC es mayor al normal Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 22 Funcionamiento de Marcapasos Sistema de Marcapasos Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 24 Términos y siglas usados IPG – Implantable Pulse Generator Sistema Programador – Programmer System Cabeza programadora – Programming Wand Interfaz de programación – Programming Interface Software del Programador – Programmer Software Patient Wand Parte no implantable de un dispositivo implantable Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 25 Parámetros generales de marcapasos Parámetro Rango Necesario Frecuencia 30 ppm a 120 ppm Amplitud de pulso 0.6 V a 7.5 V Duración de pulso 0.1 ms a 1.5 ms Sensibilidad A 0.25 mV a 3 mV Sensibilidad V 0.5 mV a 4.0 mV Intervalo AV 100 ms a 300 ms Períodos Refractarios 200 ms a 500 ms Blanking V 20 ms a 50 ms Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 26 Terminales de estimulación y sensado A la izquierda electrodo bipolar ventricular, a la derecha marcapaso APEX 4000+ bicameral. Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 27 Ubicación de los electrodos en el corazón Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 28 Polaridad de Estímulo y Sensado Polaridad Sensado Polaridad de estimulación Monopolar Sensa entre CASE y TIP del electrodo Estimula entre CASE (+) y TIP (-) del electrodo Bipolar Sensa entre RING y TIP del electrodo Estimula entre RING (+) y TIP (-) del electrodo Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 29 Códificación de Modos de marcapasos (NASPE & BPEG Generic (NBG) Codes)(*) Posición 1 2 3 4 5 Significado Cámara(s) estimulada Cámara(s) sensadas Modo(s) de respuesta Respuesta en Frecuencia Estimulación multi-sitio A = aurícula A = aurícula I = inhibido R=respuesta en frecuencia A = aurícula V= ventrículo V= ventrículo D = doble (inhibición y trigger) 0uO= ninguna V= ventrículo D=AyV D=AyV T = trigger D=AyV 0uO= ninguna 0uO= ninguna 0uO= ninguna 0uO= ninguna Letras usadas (*) NASPE es North American Society of Pacing and Electrophysiology. BPEG es British Pacing and Electrophysiology Group. Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 30 Modo VVI(R) Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 31 Modo VVI(R) - Manejo de timers frente a posibles eventos Evento Acción Inmediata Timeout Ventricular Tout Vp, comienzo refractario Tc Vs Comienzo refractario Tc Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 32 Argos 197+ en VVI (1) Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 33 Argos 197+ en VVI (2) Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 34 Modo DDD(R) (Timing Auricular) Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 35 Modo DDD(R) con Timing A- Manejo de timers frente a posibles eventos Evento Actual Acción inmediata Timeout Auricular Timeout Ventricular As Inicio AV Tc AVc Tout A Ap, inicio AV Tc AVc Vs en el AV Inicio refractarios -- -- Tout V Vp, Inicio refractarios -- -- Vs en el alerta Inicio refractarios Tc-AVc’ -- Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 36 Modo DDD(R) (Timing Ventricular) Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 37 Modo DDD(R) con Timing V- Manejo de timers frente a posibles eventos Evento Actual Acción inmediata Timeout Auricular Timeout Ventricular As Inicio AV -- AVc Tout A Ap, inicio AV -- AVc Vs en el AV Inicio refractarios VAc = Tc -AVc -- Tout V Vp, Inicio refractarios VAc = Tc -AVc -- Vs en el alerta Inicio refractarios Tc-AVc’ -- Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 38 Apex 4000+ en DDD (1) Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 39 Apex 4000+ en DDD (2) Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 40 Modo DDI(R) Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 41 Modo DDI(R) Teros 803 - Manejo de timers frente a posibles eventos Evento Actual Acción inmediata Timeout Auricular Timeout Ventricular As -- -- -- Tout A (y no hubo As) Ap, inicio AV Tc AVc Tout A luego de un As (Askip) Inicio AV Tc AVc Vs luego de un Ap Inicio refractarios -- -- Vs luego de un Askip Inicio refractarios -- -- Vs en el alerta Inicio refractarios Tc-AVc’ -- Tout V Vp, Inicio refractarios -- -- Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 42 Ventajas de cada Modo Modo Casos en que puede ser Ventajas aconsejable VVI Fibrilación auricular Económico DDD Nódulo sinusal sano Mejor desde el punto de vista hemodinámico VDD Nódulo sinusal sano Permite uso de un solo catéter DDI Episodios de flutter o fibrilación auricular No tiene riesgo de seguir una señal A de alta frecuencia DVI Episodios de flutter o fibrilación auricular, sensado A defectuoso No tiene riesgo de seguir una señal A de alta frecuencia Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 43 Frecuencia máxima de seguimiento (UTR) Objetivo – Evitar seguir una taquicardia auricular UTR es la máxima frecuencia ventricular con que el marcapaso va a estimular siguiendo a un ritmo auricular. Modo de respuesta usuales - N:1, Wenckebach Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 44 Respuesta OFF, N:1 y Wenckebach Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 45 Tipos de sensores De actividad Acelerómetros Vibración “contadores de pasos” Otros Temperatura Tiempo QT Respiración Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 46 Parámetros básicos del modo R en marcapasos Teros y Argos Parámetro Valores programables Significado Pendiente 1 a 16 Determina la variación de frecuencia de estímulo en función de la actividad Tiempo de subida 10 s - 60 s Tiempo para subir la frecuencia en 80 ppm Tiempo de bajada 1 m – 10 m Tiempo para bajar la frecuencia en 80 ppm Frecuencia máxima Hasta 180 ppm Valor máximo de la frecuencia de estimulación Cambio automático de refractario(s) Si/No Acortamiento del período refractario a 250 ms en caso deque la frecuencia de estimulación supere los 120 ppm Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 47 Datos de telemetría útiles Datos de la batería – status, voltaje, impedancia, longevidad esperada Impedancia de electrodos Pulsos de marcación Datos estadísticos Datos de Paciente ECG intracavitario Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 48 Electrónica de Marcapasos Circuitos Necesarios y Particularidades ¿Qué cosas debe hacer un Marcapasos? Aplicar algoritmos Estimular (1 o ambas cámaras) Sensar la señal de paciente (1 o ambas cámaras) Ajustar los parámetros de acuerdo a las necesidades del paciente Cambiar la frecuencia de estímulo de acuerdo a las necesidades del paciente Hacer medidas (tiempo, voltaje) Almacenar información Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 50 ¿Qué necesidades implica esto a la electrónica de un marcapasos? Acción Hardware necesario Aplicar algoritmos µC, reloj Estimular Circuito de estímulo Sensar Circuito de sensado Ajustar los parámetros Circuito de Comunicación Realizar medidas Reloj, conversor AD Almacenar información Memoria Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 51 ¿Qué limitaciones tenemos? Espacio Fuente de energía Confiabilidad Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 52 Fuente de Energía de Marcapasos Actual: Pilas de litio-yodo - Excelente densidad de carga por unidad de peso y volumen, descarga propia despreciable Capacidad de pilas de Marcapasos – baja debido a su reducido tamaño Contra de pilas de litio-yodo - alta impedancia de salida Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 53 Modelo de una batería real r VB Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 54 Circuito de estímulo VDD VDD L1 L4 R C1 L2 L3 L5 C2 Diagrama de Circuito de estímulo para amplitudes entre 0 y 2 VDD Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 55 Eficiencia de carga de un condensador VC V (1 e t / RC ) R C V Vc V t / RC I e R R V 2 t / RC 2 EV VIdt e V C R 0 0 1 2 EC V C 2 EC 1 EV 2 Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 56 Más general Vc IV I C C t V C EV V (t ) I (t )t VC 0 0 2 Vc t t VC V () V (0) V C Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 57 Caso carga entre VC1 y VC2 t1 VC1 t 2 VC 2 1 2 2 Ec C VC 2 VC1 2 EV VC VC 2 VC1 1 2 2 C VC 2 VC1 EC 2 VC 2 VC1 EV VC (VC 2 VC1) 2V Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 58 Caso de estímulo en banco 1 Cargo un condensador con amplitud A y luego lo conecto a la salida VC 2 A VC1 Ae / RC / RC VC 2 VC1 A 1 e 2V 2V Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 59 Para otros bancos / RC A 1 e 2nV Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 60 Eficiencia típica de un multiplicador de voltaje con capacitor tanque Voltage Multiplier Efficiency 1,20 1,00 EFficiency (per 1) 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 VO/VDD Eficiencia ideal para estímulo de 0.48 ms, impedancia de carga 600 ohms y capacitor del circuito de salida 15 uF Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 61 Características del Circuito de sensado Debe sensar señales cardíacas cuya amplitud es del orden de fracciones de mV a 10-20 mV. Para medir la sensibilidad de un marcapasos se usa la señal CENELEC. Debe poder programarse la sensibilidad Ancho de banda: 60/80 Hz - 140/200 Hz con 20 o 40 db/década en los extremos Impedancia de entrada mayor a 20 K Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 62 Esquema de un circuito de sensado VREF- + a uC - + VREF+ - Ganancia variable y niveles de comparación fijos o ganancia fija y niveles de comparación variable Marcapasos Cardíacos Pedro Arzuaga - Setiembre 2008 63