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 ondaiii. Amplificador sensor: es el elemento
de control, ya que el recibe señales eléctricas
desde el corazónB. 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/bipolar3) 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.