Actividad eléctrica del corazón
ECG, desfibrilación
núcleo de ingeniería biomédica
facultades de medicina e ingeniería
universidad de la república
Ing. Daniel Geido
Sistema de conducción del corazón
•
•
•
•
Nodo Sinoatrial o Sinoauricular:
zona con excitabilidad especializada,
aprox 15mm x 5mm. Es el marcapasos
del corazón, genera aprox 70 pot. de
acción por minuto en reposo.
Nodo Auriculoventricular: esta en el
limite de la aurícula y ventrículo
derechos. Por si solo tiene una
autoxitabilidad de 50/min, pero
responde si es estimulado a una taza
mayor. Es el único punto de
comunicación eléctrico entre las A y V.
La velocidad de propagación es muy
lenta.
Haz de His: tejido conductivo
especializado que propaga el impulso
eléctrico a los ventrículos. Constituido
por 2 ramas. La velocidad de
propagación es muy rápida.
Fibras de Purkinje: penetran en
ambos ventrículos y facilitan la llegada
del impulso a todas la células
contráctiles. También tienen exitabilidad
propia de entre 15 a 30 / min
ECG
• Experimento realizado por Durrer en 1970.
– Aisló corazón humano.
– Colocó más de 850 electrodos en el interior del músculo cardíaco.
Resultado:
• Interpretación del ECG:
–
–
–
–
–
Onda P: Despolarización de las aurículas.
Intervalo PR: Retardo impuesto por el nodo AV.
Onda QRS: Despolarización de los ventrículos.
Onda T: Repolarización de los ventrículos.
Repolarización de las aurículas?
Características ECG sobre piel:
-Amplitud: 1 a 5 mV
-Ancho de banda: 0,05 a 150 Hz.
ECG – Derivaciones bipolares
• Einthoven fue el pionero en el registro de ECG en la superficie del
tórax, usando galvanómetros de aguja fue capaz de medir la señal
eléctrica del corazón. Definió así una serie de derivaciones utilizadas
hasta hoy en día, triángulo de Einthoven:
Derivaciones bipolares o estándar:
I: VI = FL – FR
II: VII = FF – FR
III: VIII = FF – FL
Aplicando ley de Kirchof:
VII = VI+VIII
Por lo cual solo 2 derivaciones son
independientes.
Forma de onda del ECG
• Hipótesis importante: se adopta un modelo simple de la actividad
eléctrica del corazón. Se considera al corazón como un dipolo
eléctrico.
• Dicho dipolo genera un campo eléctrico cuyo momento dipolar
representa la actividad eléctrica del corazón en un instante
específico y cuya magnitud y dirección cambian junto con esta.
ECG – Derivaciones unipolares
• Terminal central de Wilson:
– Se busca una referencia común para la
medida de potenciales.
– Se utiliza un punto (TCW) que une
todas las extremidades a través de una
resistencia de 5kohm.
– Se cumple que: IR+IF+IL = (FCT–FR)/5k +
(FCT–FL)/5k + (FCT-F )/5k = 0
– Entonces: F =(F +F +F )/3
– El potencial medido no depende de
ninguno en particular.
F
CT
R
L
F
• Dado que: (FCT–FR)+(FCT–FL)+(FCT-FF) = 0 se demuestra que el
TCW esta en el centro del tríangulo de Einthoven
• De esta forma se definen 3 nuevas derivaciones resultantes de
medir el potencial entre cada una de las extremidades (R, L y F)
y la TCW. Se llaman VR, VL y VF respectivamente. Donde:
VR= FR–FCT=(2FR–FF–FL)/3
VL= FL–FCT=(2FL–FF–FR)/3
VF= FF–FCT=(2FF–FR–FL)/3
Derivaciones de Goldberger
•
•
En 1942 Goldberger observó que las señales unipolares de Wilson podían
ser aumentadas si lo que se tomaba era el promedio los otros dos puntos
involucrados.
De esto resultan 3 nuevas derivaciones llamadas derivaciones aumentadas
(de ahí que se llamen aVR, aVL y aVF ) ya que se observa un incremento del
50% en el valor de la señal detectada.
aVR= FR–FCT/aVR=(2FR–FF–FL)/2
aVL= FL–FaCT/aVL=(2FL–FF–FR)/2
aVF= FF–FaCT/aVF=(2FF–FR–FL)/2
aVi = 3/2Vi con i = R, L y F
Derivaciones precordiales
• Wilson introdujo otras 6 derivaciones, también unipolares llamadas
precordiales (medidas desde el TCW), son útiles para determinar la
actividad eléctrica próximo al corazón.
• Es así que se definen V1, V2, V3, V4, V5 y V6 como se observa:
ECG de 12 derivaciones
I, II y III
aVR, aVF y aVL
V1, V2, V3, V4, V5 y V6
•
•
•
•
Las 6 primeras se obtuvieron de 3 puntos
por lo cual sólo 2 son independientes.
Dado que la actividad eléctrica del corazón
se puede aproximar a un dipolo eléctrico,
alcanza su proyección en los 3 planos para
tenerlo completamente definido.
Por lo cual solo bastaría elegir un vector
precordial, por ej V2 es muy utilizado. De
esta forma sólo con I, II y V2 se tendría
completamente definido el dipolo.
Entonces en el ECG de 12 derivaciones,
sólo 3 son independientes y 9 son
redundantes.
Electrocardiógrafos
Fibrilación ventricular
• FV:
– Trastorno del ritmo cardiaco que presenta un ritmo ventricular rápido
(>250 latidos por minuto), irregular, de morfología caótica y que lleva a
la pérdida total de la contracción cardíaca, con una falta total del
bombeo sanguíneo y por tanto a la muerte del paciente.
– ECG:
• 1200 muertes diarias solo en el mundo occidental.
• Producido por múltiples causas como arteriosclerosis que ocluye la
perfusión coronaria.
• Desfibriladores externos existen hace muchos años, actualmente
también los hay implantables.
Causas de la FV
• Limitada percusión coronaria provoca
isquemia e infarto de ciertas células
musculares cardíacas.
• Esta es la principal causa de arritmias
reentrantes.
• Se producen lazos de reentrada en el
tejido conductivo eléctrico del corazón.
• Así se vuelven a excitar zonas que no
deberían ser excitadas hasta más tarde.
Fenómeno de reentrada
• El período refractario juega un papel fundamental en la reentrada.
• Se usa el modelo del anillo para explicar el fenómeno.
– A sería proceso normal
– B Bloqueo unidireccional por período refractario prolongado.
• De esta forma el marcapasos natural del corazón ya no tiene el
control y late a tasas más altas de lo normal. Arritmia por reentrada.
Desfibrilación
• Si aplicamos un impulso despolarizante
que sea varias veces superior al umbral
normal lograremos actuar sobre:
– Células en período excitable.
– Células en período refractario relativo.
• Hay una hipótesis de masa crítica que se
asume, basta con que un alto porcentaje
de las células sean “reseteadas” para
terminar la FV (>75% aprox.).
Curva de desfibrilación
correinte (A)
No ocurre
desfibrilación
Ocurre
desfibrilación
Duración del pulso (s)
Cardiodesfibriladores
• Minimizar la energía dada al paciente (evitar daños)
• Trabajar en la parte baja de la curva de energía.
– Duración típica de 3 a 10ms.
– Corrientes del orden de 20A.
– Energías de entre 50 a 360J.
• La energía es seleccionable por el usuario y
depende del paciente, edad, arritmia, FV, etc.
• Se utilizan condensadores para almacenar energía.
1
WC  CV
2
2
C
Cardiodesfibriladores
Diagrama de bloques
standby
Fuente
de alim.
Control
manual
carga
Capacitor
Alm. energ
descarga compuerta
Circuito de
tiempo
paciente
Monitor
de ECG
Utilizado para sincronizar
con QRS (opcional)
Formas de onda
Seno sub amortiguado
•
•
•
•
•
Se descarga sobre el paciente a través de un circuito RLC.
C: 10 mF - 50 mF, se cargan en aprox 10s.
Vc: 4 a 9 kV
Hasta el 40% de la energía en C puede ser disipada en L y Rint
La forma de onda resultante es un seno subamortiguado
(depende de Rpaciente).
L
Fuente
de alim.
+
Vc
_
Rint
Rpaciente
C
2kV
t
10 ms
Ejercicio
Ri
Fuente
de alim.
+
Vc
_
C
+
Vp
_
Rp
•Impedancia del paciente: Rp = 95W.
•Resistencia interna del cable: Ri = 5W.
•Energía total almacenada en C: W = 300 J.
Se quiere entregar un 90% de la energía W al corazón en 8ms.
Calcular el valor del condensador C y su carga inicial antes de
desfibrilar.
VC  t   VC  0e
Descarga del condensador:
V p t   V C  t 
Voltaje sobre el paciente:
V p ( t )  V C 0 e
t / RLC
Rp
R p  Ri
t / RLC
,t  0
VC(0) = carga inicial
Rp
R p  Ri
 V C 0 e
t / RLC

(1)
Energía en C en t = 0:
0
0
 dV C 
W   V C i C dt   V C  C
 dt


dt


0
 C  V C dV C 

1
2
R L  Ri  R p
2
C V C  0  (2)

Rp
R p  Ri
W p t  
Energía entregada a Rp:
V p t 
2
t

Rp
0
W p t   
Sustituyendo (1):
t
2
V C 0 e
2

0 .9 
Usando (2):
CV
2
0 .9 
1
2
CV
2
C
0  
2
C
2 t / R LC
dt
Rp
0
1
dt
0   
0 . 008
2

V C 0 e
2
2
Rp
R p  Ri
2
 0 .9 /   e

CV C 0  e
2
 2 ( 0 . 008 ) / R L C
0 .0 5 2 6  e
dt
Rp
0

2 t / R LC
 2 ( 0 . 008 ) / R L C
1
 2 ( 0 .0 0 8 ) / R L C
1

Despejamos C:
C = 54.3 mF
La carga inicial en el condensador es:
300J 
Vc(0)=3323V
1
2
2
C VC
0
Desfibrilador: formas de onda
Onda cuadrada (exponencial truncada)
• Se descarga sobre el paciente a través de un circuito switcheado
por tiristores.
• Durante la carga, SCR1 y SCR2 ambos están abiertos.
• Para desfibrilar, se cierra SCR2 y se deja SCR1 abierto.
• Luego de un cierto intervalo de tiempo, SCR1 se cierra
cortocircuitando C y descargando el condensador.
SCR2
Fuente
de alim.
+
Vc
_
+
SCR1
C
Vpaciente
Rint
timing
Vpaciente Rpaciente
_
Cardiodesfibriladores
Tipos
– Monofásicos.
– Bifásicos: simples y pulsados.
Cardioversión
• Cardioversión:
– En fibrilación ventricular se puede desfibrilar en
cualquier momento.
– En otro tipo de arritmias (FA, taquicardia ventricular,
etc) hay que sincronizar con el QRS (20ms después del
pico R). Si aplicamos pulso sobre T se produce FV !!
– Esto se llama cardioversión y todos los desfibriladores
modernos lo implementan.
Electrodos para desfibriladores
Externos: gran tamaño (8 a
13cm) para evitar
quemaduras y distribución
uniforme.
• Paletas de mano externas: se
deben usar con gel conductor, son
reusables
• Adhesivos descartables.
Internos: pequeños para colocar
sobre el corazón (4 a 8cm)
• Paletas internas
Localización de los electrodos
Otros tipos de desfibriladores
• EAD y SAD: desfibriladores automáticos
y semiautomaticos (protocolos AHA/ERC).
– Operación del SAD:
• Inicia análisis.
• Si ECG débil avisa para realizar RCP durante
1minuto.
• Luego se inicia nuevamente el análisis.
• Si detecta FV, inicia secuencia de carga del
capacitor según la norma AHA/ERC:
– 2 x 130KJ.
– n x 150KJ.
• El usuario descarga finalmente en forma
manual sobre el paciente (en EAD la descarga
se hace sin confirmación del usuario).
• Si transcurre demasiado tiempo sin descargar,
el capacitor se descarga internamente.
Otros tipos de desfibriladores
• Implantables:
– Utilizado en paciente con FV y
taquicardias frecuentes.
– Usualmente es incorporado como
una función adicional de ciertos
marcapasos (típicamente VVI)
– Energías muy bajas (pocos J) y con
pulsos bifásicos.
– Los electrodos llegan al corazón por
venas al igual que los marcapasos.
– Deben tener un algoritmo de
detección de arritmias y análisis de
ECG muy avanzado para detectar
cuando desfibrilar.
Valores
• Impedancia:
– transtorácica de 25 a 150 ohm, muy dependiente del
contacto electrodo-piel, típicamente 50ohm.
– transcardíaca de 20 a 40 ohm.
• Desfibriladores externos: 24A, 2kV, bifásico y
200 a 360J.
• Desfibriladores implantables: 1 a 2A, 30V,
bifásico y 30J para 20ohm.
• Estimulación magnética para desfibrilar,
investigar.
Bibliografía
• John.G. Webster. "Medical Instrumentation",
Second Edition, Houghton Mifflin Co, Boston,
1992 o en la Tercera edición, 1998.
• Joseph D. Bronzino. “The Biomedical
Engineering Handbook”, Second Edition.
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Contraccion muscular y actividad electrica del corazon