Download Diseño de un ASIC para Marcapasos

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
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2
Fisiología Cardíaca
Función del Sistema Cardiovascular
Llevar Nutrientes y Oxígeno a todo el
organismo.
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4
Diagrama del Sistema Cardiovascular
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5
Esquema mostrando la dirección del flujo de sangre en el
corazón
Tomado de Design of Cardiac Pacemakers editado por John G. Webster
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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
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7
Polarización de las células
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8
Estímulos que pueden activar células
excitables
 Térmicos
 Mecánicos
 Corrientes
eléctricas
 Campos magnéticos variables muy
intensos
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9
Experimento de Hodgkin y Huxley
Tomado de Design and Development of Medical Electronic Instrumentation (David Prutchi y Michael Norris)
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10
Estimulación Intracelular
Tomado de Design and Development of Medical Electronic Instrumentation (David Prutchi y Michael Norris)
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11
Estimulación Extracelular
Tomado de Design and Development of Medical Electronic Instrumentation (David Prutchi y Michael Norris)
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12
Tipos de Células cardíacas
Tipo
Contráctiles Autorítmicas
Función
Trabajo
mecánico de
bombeo
Iniciar y
conducir los
potenciales de
acción
%
99
1
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13
Sistema de conducción cardíaco
Tomado de Design and Development of Medical Electronic Instrumentation (David Prutchi y Michael Norris)
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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
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15
QRS Normal
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16
ECG Normal
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17
Principales tipos de arritmia
Bradicardia
Taquicardia

También (esporádicos) :
– Contracción Ventricular prematura (PVC)
– Contracción Auricular Prematura (PAC)
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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
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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
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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.
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21
PAC
Generado por la despolarización espontánea de células del ventrículo. El
ciclo posterior al PVC es mayor al normal
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22
Funcionamiento de Marcapasos
Sistema de Marcapasos
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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
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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
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26
Terminales de estimulación y sensado
A la izquierda electrodo bipolar ventricular, a la derecha marcapaso APEX 4000+
bicameral.
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27
Ubicación de los electrodos en el
corazón
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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
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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.
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30
Modo VVI(R)
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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
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32
Argos 197+ en VVI (1)
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33
Argos 197+ en VVI (2)
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34
Modo DDD(R) (Timing Auricular)
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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’
--
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36
Modo DDD(R) (Timing Ventricular)
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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’
--
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38
Apex 4000+ en DDD (1)
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39
Apex 4000+ en DDD (2)
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40
Modo DDI(R)
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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
--
--
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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
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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

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44
Respuesta OFF, N:1 y Wenckebach
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45
Tipos de sensores

De actividad
 Acelerómetros
 Vibración
 “contadores de pasos”

Otros
 Temperatura
 Tiempo QT
 Respiración
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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
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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
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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
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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
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51
¿Qué limitaciones tenemos?
 Espacio
 Fuente
de energía
 Confiabilidad
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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
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53
Modelo de una batería real
r
VB
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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
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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
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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
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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
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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
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
59
Para otros bancos

 / RC
A 1 e

2nV
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
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
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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
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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
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