Abstract
El Marcapasos cardiaco artificial, reemplaza el sistema fisiológico eléctrico del corazón, o lo completa, para que este inicie y controle las contracciones cardiacas. Si el marcapasos natural del corazón falla, o si la conducción normal de impulsos eléctricos en el corazón no opera apropiadamente, un estímulo externo como impulsos, aplicado en el lugar específico del mismo y a intervalos convenientes, le puede restaurar sus funciones normales.
El diseño, el control y la construcción de los marcapasos artificiales está gobernado por el alto objetivo de confiabilidad, para la aplicación segura y precisa de impulsos eléctricos al corazón cuando sean requeridos.
Palabras claves— Cardiaca, eléctricos, estimulación, , impulsos, marcapasos.
Introducción
l Marcapasos artificial se creó por primera vez por el ingeniero de Canadá "john Hopps en el año de 1950, fue un marcapasos externo y muy doloroso para los pacientes", este marcapasos artificial solamente se encargaban de estimular al corazón a una frecuencia determinada, y no solucionaban todas las patologías del paciente. Es aquí donde el desarrollo de la tecnología juega un papel muy importante en la creación de marcapasos más avanzados, más eficientes, de tamaño muy reducido, que son implantados de forma subcutánea a la altura del tórax debajo de la clavícula.
EL marcapasos natural está conformado por varios grupos de células capaces de producir un latido cardíaco. El corazón humano contiene tres marcapasos naturales con distinta frecuencia, pero por lo general el marcapasos de mayor frecuencia se encarga del control del ritmo cardíaco. Ahora en caso de fallar el marcapasos natural, es entonces cuando entra a funcionar el marcapasos artificial.
En este documento nos centramos a lo que se refiere al marcapasos, ya que es un invento tan importante el cual muchas personas con bloqueos auriculoventriculares lo usan.[6]
Descripción General
El marcapasos es un aparato electrónico generador de impulsos, éste impulsa artificial y rítmicamente el corazón cuando los marcapasos naturales del corazón no pueden mantener el ritmo y la frecuencia adecuados. Además estos dispositivos monitorizan la actividad eléctrica cardiaca espontánea, y según su programación desencadenan impulsos eléctricos o no.
Este es un aparato muy pequeño que se coloca a la altura del tórax por el área del hombro izquierdo para que el corazón de la persona lata más rápido o más lento según la necesidad del paciente, este aparato genera impulsos que excitan rítmica y artificialmente al corazón.[6],[7]
Se observa en la (Fig. 1) la ubicación usual de la implantación del marcapasos en el paciente.
[1] Fig. 1. Implantación del marcapasos en el paciente.
Cuando el marcapasos lo considere necesario realizara una estimulación a la frecuencia que se le programó que es independiente de la frecuencia cardiaca, a esto se denomina estimulación asíncrona
Existe otro tipo de estimulación que se denomina estimulación síncrona, que se coordina con la actividad eléctrica del estimulo.[6][7]
[2] Fig. 2. Disminución del tamaño del marcapasos
Mediante el avance de la tecnología.
El marcapasos consta de un electrodo que con el avance de la tecnología se a logrado disminuir su tamaño (Fig. 2), por lo tanto es más factible, entonces por tener estas características, se pierde muy poca energía, por lo que permitiría ahorrar más batería y prolongar su duración que es de un estimado de 7 a 8 años.
Actividad eléctrica del corazón.
El corazón funciona por impulsos eléctricos generados por algunas de las células del tejido muscular de dicho órgano. Son impulsos similares a los de otras células estas se conectan con el mundo físico a través de ondas electromagnéticas.
La actividad eléctrica en el corazón normal comienza con un voltaje, generado en forma espontánea por un grupo de células excitables, localizadas en la parte superior del atrio derecho; este grupo es llamado nodo sino-atrial, más conocido como nodo S-A. La figura 1 permite visualizar la ubicación de este nodo y los demás componentes del sistema de conducción eléctrica del corazón.
El impulso eléctrico, generado en frecuencias que van desde 60 hasta 100 latidos por minuto (bmp), en un corazón normal en reposo, se disemina a través de las aurículas y produce la contratación de la musculatura atrial y, por consiguiente, el bombeo de sangre hacia los ventrículos. El impulso eléctrico alcanza a otro grupo de células.[7]
eración y Funcionamiento
Un sistema de marcapasos básico consta de 3 elementos:
A. Generador de pulsos.
Este puede ser externo o impalpable, y en ambos casos consiste de una fuente de poder y un circuito electrónico. La unidad externa se la coloca fuera del cuerpo y su uso es temporal, mientras que la unidad implantable, que es construida con un metal especial o con un polímero para evitar el rechazo por parte del cuerpo, es para ser usada en periodos de tiempo más bien largos o de carácter permanente.
a) La fuente de poder es normalmente una pequeña batería, que debe ser capaz de trabajar en forma confiable por un periodo de tiempo bastante largo (4 a 5 años).
b) El circuito eléctrico consiste de:
i. Oscilador: es el que realiza las operaciones de tiempo básicas y controla la frecuencia de la estimulación cardiaca.
ii. Circuito de salida: entrega energía al corazón a través de un electrodo y aísla al oscilador de interferencias externas, protegiendo de esta manera al paciente de ruidos eléctricos externos. Este circuito también contiene una etapa formadora de onda
iii. Amplificador sensor: es el elemento de control, ya que el recibe señales eléctricas desde el corazón
B. Sistema de conexión.
Este es el sistema que permite al propio marcapasos comunicarse con el corazón. Está formado por dos diferentes componentes, el cuerpo y el electrodo.
a) El cuerpo consiste de un conductor eléctrico y su respectivo aislamiento.
b) El electrodo es la interface entre el marcapasos y el corazón. Este va conectado en la punta del cuerpo y es construido generalmente de platino. Los electrodos pueden ser anclados o cosidos al musculo cardiaco externamente, o pueden ser insertados a través de una vena directamente al interior de una de las cámaras del corazón.
C. En el corazón mismo.
[3] Fig.3. Diagramas de bloques de un marcapasos
El funcionamiento de un marcapasos sigue los principios programados en el mismo(Fig.3).
Según estos, que explicaremos más adelante, hará un registro de la actividad cardíaca que comparará con los valores introducidos previamente. En caso de que este censado arroje algún resultado que no corresponda con lo adecuado, programará la intensidad de la descarga a realizar. Se acumulará en el generador el impulso eléctrico necesario que será transmitido por los cables hasta los electrodos implantados en el corazón, bien internamente o superficialmente, provocando la descarga.
Los parámetros que se han de tener en cuenta en un marcapasos son:
a) Intensidad o amplitud: es la intensidad del impulso eléctrico generado por el marcapasos. Su valor ha de ser ajustado al necesario para la despolarización del miocardio.
b) Sensibilidad: reconocimiento de la actividad eléctrica espontánea del corazón desde un umbral programable por el usuario.
c) Frecuencia: la de estimulación. Si la frecuencia del corazón cae por debajo de la programada el marcapasos actúa.
d) Intervalo aurículo-ventricular: tiempo transcurrido entre la estimulación auricular y ventricular. Puede ajustarse automáticamente o programarse en función de la frecuencia.
e) Seguimiento auricular: capacidad de estimulación del ventrículo después de una onda auricular espontánea tras el intervalo A-V programado anteriormente.
i. La primera letra indica donde se realiza el estímulo, A para la aurícula, V en el ventrículo y D en ambas.
ii. La segunda letra indica donde toma los registros el marcapasos. La A en la aurícula, V el ventrículo, D en ambas y O si no existe censado.
iii. La tercera letra es el mecanismo de acción. Método asincrónico, O, el marcapasos actúa con independencia de la actividad eléctrica. I, inhibido, el marcapasos no estimula si la frecuencia del paciente es mayor que la programada. T, censado, el marcapasos se estimula cuando la señal detectada se corresponde con los niveles programados. D, posee las funciones del inhibido y censado.
Los marcapasos actuales son programables (fig. 4) y permiten tratar diferentes anomalías cardíacas aunque su propósito es el mismo, realizar una descarga eléctrica que rehabilite el ritmo cardíaco.
[4] Fig. 4. Diagrama de Bloques de un Marcapasos programable por Telemetría.
En los marcapasos externos es posible la operación de una fuente de poder alimentada de la línea, mientras que en las unidades implantables, es necesaria una fuente interna de energía eléctrica o una batería. Entre los tipos de baterías utilizadas por los marcapasos, existen dos importantes químicas y nucleares.
- a) Baterías químicas: Los primeros marcapasos eran alimentadas por baterías de mercurio-zinc, que proveían a los marcapasos una vida útil de dos a cuatro años. Las baterías de litio-yodo fueron diseñadas posteriormente y actualmente son utilizadas ya que tienen una vida útil de hasta 15 años.
b) Baterías nucleares: Las celdas de energía nuclear ofrezcan posibilidades únicas para el uso del marcapasos de largo tiempo de implantación ;sin embargo, son demasiado caras y debido a que usan elementos radioactivos, pueden pre4sentar cierto peligro para el paciente. Existen dos tipos de celdas nucleares: la celda termoeléctrica de plutonio y la celda beta voltaica. Estas baterías no son permitidas en los Estados Unidos.
E. Electrodos.
Para entregar el estimulo externo al corazón, se requieren dos electrodos. Existen dos tipos de estimulación: modo bipolar y modo unipolar. En el modo de estimulación bipolar dos electrodos están en contacto con el musculo cardiaco; mientras que en la estimulación unipolar solamente el electrodo negativo está en contacto con el musculo cardiaco, y los otros electrodos a menudo la envoltura metálica del marcapasos. Existen varios tipos de electrodos, siendo esta clasificación hecha en base a las formas, y entre los más importantes tenemos el Hunter-Roth, el de Chardack que tiene forma de bobina, el de Catéter que es bipolar, el Corkscrew cuya forma es en espiral y el tipo J llamado también de tipo atrial. [7][8]
Diferentes tipos de funcionamiento de un marcapasos
Síncrono y Asíncrono:
Los primeros marcapasos cardíacos eran asíncronos, esto quiere decir que la estimulación se realiza a una frecuencia constante.
Este modo de funcionamiento trae distintos problemas: descoordinación entre los ventrículos y las aurículas, malgasto de la batería, el flujo de la sangre no depende del ejercicio, entre otros. Inclusive en algunos pacientes puede causar fibrilación.
En definitiva estos sistemas solo intervienen cuando es necesario, a estos marcapasos se los llama síncronos o a demanda.
Unicameral y Bicameral:
Se pueden clasificar según en qué compartimientos del corazón censan y en cuáles estimulan. Los Unicamerales son aquellos que solo participan en la aurícula o en el ventrículo.
Los Bicamerales a los que intervienen en ambos compartimientos del corazón (aurícula y ventrículo).
Frecuencia de Estimulación Variable :
Este punto es el gran salto en el desarrollo de marcapasos cardíacos y el tema de estudio de mayor interés.
La idea consiste en variar la frecuencia cardíaca impuesta por el marcapasos en función de la necesidad del organismo donde está implantado el marcapasos, es decir se intenta acortar la distancia entre el marcapasos natural que tiene el cuerpo humano y el artificial.
Como es natural, el procedimiento consiste en adquirir distintas variables indicativas del estado del organismo y partir de estas variables y por medio de un algoritmo decidir cuál debe ser la estipulación que se debe imponer (véase figura 4).
Para adquirir estas señales se requiere de sensores y nueva circuitería, uno de los problemas más importantes que se presentan es cuando el sensor debe estar fuera del marcapasos; esto involucra nuevos cables y por ende nuevas complicaciones. Por esto es deseable lograr censar desde adentro del mismo marcapasos.
Vale la pena mencionar cuáles son los dos métodos más importantes que posibilitan estimar actividad física desde dentro del marcapasos sin necesidad de colocar elementos externos al marcapasos.
1) Impedancia: Consiste en medir la impedancia de la caja toráxica; esta impedancia se estima a partir de la impedancia entre el encapsulado del marcapasos y los electrodos que están colocados en el corazón. De esta manera se quiere medir el "minute ventilation", ya que este último es un buen estimador de la actividad del cuerpo.
[5] Fig. 4. Adquisición de datos de un marcapasos.
2) Parametros Programables: Modo, frecuencia, duracion del pulso, amplitud del pulso, amplitud, sensitividad auricular y ventricular, periodo refractario, retardo A-V, polaridad unipolaridad/bipolar
3) Acelerómetro: Consiste en colocar un acelerómetro dentro del marcapasos y a partir de las aceleraciones que se obtienen estimar la actividad corporal. Vale resaltar que este método es más eficiente en términos de energía.[7][8]
Lazos de Realimentación
Se desarrollan a continuación las alternativas de censado que se presentan para poder llevar a cabo la comunicación con el marcapasos por telemetría:
Impedancia y Acelerómetro:
Para la medida de la impedancia existen varios métodos; una primera posibilidad consiste en utilizar 3 electrodos para realizar la medida, donde uno de estos electrodos es el propio encapsulado y los otros dos pueden ser dos leads unipolares o un lead bipolar. Las señales que se manejan para realizar las medidas de baja amplitud y alta frecuencia o un tren de pulsos de baja amplitud.
Una tercera técnica consta simplemente de un lead unipolar y el encapsulado. Es interesante usar el mismo pulso de estipulación cardíaca para estimar la impedancia y de esta manera ahorrar energía, pero en este caso se presenta el problema de que la frecuencia de muestreo puede ser insuficiente, particularmente en casos donde el marcapasos se inhibe frente a estimulaciones naturales del corazón.
Medidas en la Aurícula
En este caso cumplir con la demanda de sangre requerida se reduce a detectar la actividad en la aurícula y respetando los retardos naturales del corazón aplicar una estimulación en el ventrículo. Para detectar la actividad en la aurícula existen dos métodos; el primero simplemente consiste en agregar un nuevo lead hacia la aurícula y así detectar la actividad, una segunda alternativa consiste en utilizar un lead especial al ventrículo que es capaz de detectar la actividad que se desarrolla en la aurícula.[10]
Medidas directas del Metabolismo
Citaremos a continuación cuáles son las variables que permiten una estimación directa del metabolismo y cómo se implementan sus sensores.
El ritmo cardíaco debería aumentar cuando aumenta el metabolismo3, el aumento de la frecuencia cardíaca ayuda a transportar más oxígeno al cuerpo y eliminar toxinas del cuerpo.
pH en sangre:
Cuando se detecta una variación en el pH el sistema reacciona acomodando la frecuencia cardíaca, más aún se puede pensar en un sistema de control de loop cerrado que mantenga constante el pH en sangre.
Saturación de O2 en sangre:
Una de las tareas principales del sistema circulatorio consiste en llevar O2 a todo el cuerpo.
Para realizar la medida se pueden utilizar dos LEDs y un fotodetector para medir la reflectividad de la sangre en el ventrículo derecho. Un LED es rojo (660nm) y el otro es infrarrojo (805nm), la reflectancia de la sangre a frecuencias del color rojo depende de la hemoglobina, el LED infrarrojo se utiliza como referencia ya que sus emisiones no son afectadas por le sangre, de esta manera perturbaciones que son ajenas a la hemoglobina son descartadas ya que se toma como referencia la señal del LED infrarrojo.[9]
Sistema de Control
Las señales que son adquiridas, deben ser procesadas para tomar una decisión en consecuencia. De esta tarea se encarga el sistema de control.
Como primera aproximación se pueden clasificar en sistemas de control open loop y en sistemas de control close loop.
1) Los sistemas open loop se aplican cuando el parámetro que es censado no es afectado por las acciones del marcapasos, estos sistemas tienen como principal ventaja que son relativamente simples de implementar.
2) Los sistemas de close loop son utilizados sobre parámetros que son afectados por la actividad cardíaca, pero de manera opuesta, de manera de establecer una realimentación negativa. Esta última condición es necesaria para que no se produzca una realimentación positiva la cual llevaría al sistema a estar fuera de control.
Open loop.
Los más importantes son los sensores de movimientos o acelerómetros, en estos casos es fácil ver que la reacción del marcapasos no afecta el parámetro medido y por ende deben ser conectados con esta topología.
Un ejemplo diferente se encuentra cuando se censa la temperatura; aunque la temperatura en sangre tiene una dependencia con la actividad cardíaca, esta dependencia no es exclusiva, sino que la temperatura también depende de otras actividades del organismo por lo que no se implementa en close loop.
Close loop:
En este caso el sistema intenta mantener el parámetro en cuestión dentro de un rango ya que las acciones que toma repercuten directamente sobre la variable.
En primer lugar se pueden mencionar las señales respiratorias o del metabolismo como ser la saturación de oxígeno, el ventilation rate, o el minute ventilation. En general estas señales no se trabajan solas sino que se procesan en conjunto con alguna otra para evitar malas interpretaciones.
Un segundo grupo de señales que pueden ser implementadas con un sistema de close loop son las referidas directamente a la actividad cardíaca o más precisamente a la contracción ventricular.
Como conclusión de esta sección, quizás lo más importante sea aclarar que ya existen, y cada vez surgen más, sistemas de multisensado; es decir sistemas donde se relevan muchas de estas señales y a través de complejos algoritmos se determina la acción del marcapasos.[11]
Conclusiones
En la actualidad la electrónica juega un papel muy importante en todos los campos como por ejemplo la medicina, ya que por medio de ella se pueden salvar muchas vidas, se pueden realizar lo inimaginable, en este tema nos hemos centrado en el marcapasos, pero no olvidemos que también existen otros tipos de prótesis como de manos, prótesis auditivas, aparato que permiten ver a personas ciegas, etc, por estos motivos, se sigue realizando investigaciones de muchas cosas mas, muy importantes, que mas adelante podrá salvar muchas vidas.
Como se puede ver, el tema que parcialmente es abarcado por este ensayo es muy extenso. El afán del hombre por lograr imitar fielmente a la naturaleza y en este caso al cuerpo humano, es el gran incentivo que lleva adelante este campo de estudio, el cual promete alentadores resultados para la calidad de vida de las personas que padecen problemas cardíacos.
Varios desarrollos tecnologicos han ocurrido para que la operación de los sistemas marcapasos sea cada vez. Las indicaciones para el uso se han incrementado a medida que la tecnologia ha avanzado. El futuro de la tecnologia de los marcapasos es brillante, aunque queda mucho por hacer todavia. Los marcapasos del futuro deberian ser completamente programables y los pacientes deberian ser capaces de comunicarse con sus propios marcapasos sin tener que acudir al medico. En el futuro, mediante el empleo de la telemetria, la capacidad y fexibilidad de los marcapasos presentará desafios a los fabricantes, médicos y pacientes.
Referencias
Referencias Graficas de Papers:
[1] Gabriel Garcia, Ana M. Garcia, Guillermo Menguez, "Equipamiento de un quirófano de cirugía cardiovascular," pp. 16 , Apr. 1988. (fecha. 6/12/2011)
[2] Gabriel Garcia, Ana M. Garcia, Guillermo Menguez, "Equipamiento de un quirófano de cirugía cardiovascular," pp. 19 , Apr. 1988. (fecha. 6/12/2011)
[3] Pablo Senatore, "XIII Seminario de Ingeniería Biomedica", pp. 5, 2004. (fecha. 6/12/2011)
[4] G. Meissimilly, J. Rodríguez "Diseño de un Marcapaso", Instituto Central de Investigación Digital, Calle 202 No. 1704 e/17 y 19, Siboney, Playa 11600, La Habana, pp. 10, 2004. (fecha. 6/12/2011)
[5] http://www.google.com.ec/url?sa=t&rct=j&q=circuito+del+marcapasos&source=web&cd=7&ved=0CEcQFjAG&url=http%3A%2F%2Fwww.nib.fmed.edu.uy%2FSilveira_marcapasos.pdf&ei=I03eTrX0EIjyggeG2K3pBQ&usg=AFQjCNFJhPE4eWUa2iyENUzxxXkicD7tdw&cad=rja (fecha. 6/12/2011)
Referencias de Papers:
[6] Pablo Senatore, "XIII Seminario de Ingeniería Biomedica", Montevideo – Uruguay, 2004. (fecha. 6/12/2011)
[7] G. Meissimilly, J. Rodríguez "Diseño de un Marcapaso", Instituto Central de Investigación Digital, Calle 202 No. 1704 e/17 y 19, Siboney, Playa 11600, La Habana, 2004. (fecha. 6/12/2011)
[8] Ing. Miguel E. Yapur, "Desarrollo Tecnologico del Marcapasos y su importancia", Guayaquil – Ecuador, Revista POLIGIRA , 1988. (fecha. 6/12/2011)
[9] Gabriel Garcia, Ana M. Garcia, Guillermo Menguez, "Equipamiento de un quirófano de cirugía cardiovascular," Apr. 1988. (fecha. 6/12/2011)
[10] http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish/ency/article/007369.htm. (fecha. 6/12/2011)
[11] http://www.tuotromedico.com/temas/marcapasos.htm. (fecha. 6/12/2011)
Autor:
Miguel Bravo Quiroga,
Docente: Ing. Rene Ávila.