INGENIERIA ELECTRONICA

APARATOS PROTÉSICOS EN LA MECÁNICA

CARDIOVASCULAR

GENERALIDADES

Las prótesis valvulares cardíacas pueden ser divididas en dos grandes grupos: mecánicas y biológicas.

Las prótesis mecánicas son más durables (20-30 años) que las biológicas (10-15 años).

Sin embargo, debido a su propiedad trombógena ellas necesitan de anticoagulante de largo plazo.

El potencial trombógeno es mayor en la prótesis del tipo jaula, es intermedia con la de un disco y es menor en la de dos discos.

PRÓTESIS MECÁNICAS

Se denominan así, a las construidas en su totalidad por materiales artificiales, no necesariamente metálicos.

Constan de un mecanismo que permite el movimiento de apertura y cierre (oclusor). Remendando la apertura y cierre de las válvulas normales, y un anillo generalmente metálico, recubierto de un material sintético resistente que permita ser atravesado por suturas para sujetarlo sobre el anillo valvular, de donde previamente se retiró la válvula natural.

Se pueden diferenciar por el mecanismo de oclusión:

*Mecanismo de oclusión de bola.

*Mecanismo de oclusión excéntrico de disco.

*Mecanismo de oclusión de disco central.

Mecanismo de oclusión de bola

También llamada Prótesis de jaula y bola. La más conocida de este tipo, y la única que se fabrica en la actualidad, es la prótesis de StarrEdwards.

Figura 1: prótesis de StarrEdwards Figura 2: Prótesis de Starr-Edwards "in situ"

Consiste en un anillo de teflón y tela de polipropileno, cubierto por una jaula de aleación de cromo-cobalto.

Dentro de la jaula se ubica una bola de goma de silicona (Silastic) o de titanio, con movilidad libre dentro de ella y que ocluye el anillo en forma intermitente.

Es la válvula que ha demostrado mayor longevidad (más de 30 años) sin fallas estructurales, pero su alto perfil y resistencia al flujo la hacen poco fisiológica desde el punto de vista hemodinámico.

El flujo lateral en vez de central se asocia con gradientes transprotésicos relativamente altos. Del mismo modo, lleva la carga de ser una prótesis muy trombogénica, en particular en posición mitral, lo que requiere una anticoagulación cuidadosa.

Mecanismo de oclusión excéntrico de discoPrótesis monodisco .

La primera prótesis de este tipo fue la de BjorkShiley, presentada en 1969 y discontinuada en 1986 debido a la aparición de una tasa elevada de fallas estructurales, con fractura del soporte y migración del disco. Le siguieron otros modelos de válvulas monodisco con diferentes diseños.

Figura 3 : prótesis de StarrEdwards

La válvula Medtronic-Hall es una de las más eficientes dentro de este grupo y la única válvula monodisco que aún se fabrica.

La arquitectura común a todas ellas consiste en un disco de carbono, montado sobre un pivote y unido a un anillo metálico (Figura 2).

El disco oscila, ocluyendo y abriendo el orificio de la prótesis según el momento del ciclo cardíaco.

La apertura del disco está limitada por unos topes (struts) en el anillo, lo que permite una apertura de hasta los 60-80 grados.

Su prototipo es la válvula de SAN JUDAS , la prótesis mecánica más utilizada en la actualidad, introducida en 1977.

Consiste en un anillo metálico y dos discos de carbono grafito, que pivotean sobre el anillo con un ángulo de apertura de 85 grados, por lo cual adquieren una posición casi paralela al flujo sanguíneo, delimitando dos orificios mayores laterales y un orificio menor central.

Mecanismo de oclusión de disco central.

Esta conformación estructural le confiere a este tipo de válvula mejor perfil hemodinámico cuando se compara con los dos modelos anteriores.

Su diseño favorable le permite exhibir los gradientes más bajos dentro de las prótesis mecánicas y un índice menor de trombogenicidad.

De todas formas, requiere anticoagulación crónica. Excepto algunos modelos de válvulas bidisco con diseño deficiente, su confiabilidad y su resistencia a la falla estructural son muy altas.

PRÓTESIS BIOLÓGICAS

Se denominan así aquellas en las que, de modo parcial o total, están construidas por tejido orgánico preservado de modos diferentes.

Las prótesis biológicas se clasifican, según el origen del material biológico utilizado y el tipo de montaje empleado en su fabricación:

* Autoinjertos completos- como el autoinjerto pulmonar de la operación de Ross.

*Homoinjertos, como los homoinjertos aórticos, válvulas y raíces aórticas de cadáver humano.

*Homoinjertos montados sobre soportes de plástico de duramadre humana (Ya desechados).

*Heteroinjerto, en los que el material de apertura y cierre de la prótesis esta formado por velos aórticos de cerdo, o pericardio de buey. Montados sobre un soporte de plástico, todo ello recubierto por un anillo de Dacrón de sutura.

Autoinjertos completos

El autoinjerto pulmonar consiste en el implante en posición aórtica de la válvula pulmonar del propio paciente. Para restablecer la continuidad ventriculopulmonar se coloca un homoinjerto pulmonar criopreservado o bien un tubo valvulado realizado con pericardio del paciente.

El autoinjerto pulmonar proporciona todas las ventajas de un homoinjerto, con excelente hemodinamia y gran resistencia a las infecciones y tiene, además, la cualidad de estar conformado por células viables, capaces de crecer. Por lo tanto, sería, en teoría, la operación ideal para niños, adolescentes y adultos jóvenes, en particular si la causa de la disfunción aórtica fue un proceso infeccioso. Sin embargo, esta cirugía es técnicamente difícil, laboriosa y prolongada .

Homoinjerto aórtico

Fue la primera válvula de origen biológico implantada con éxito. Consiste en una válvula extraída de un donante cadavérico, esterilizada con antibióticos y criopreservada en la fase gaseosa del nitrógeno líquido, a alrededor de –190°C.

Habitualmente se resecan del donante el bloque de la aorta ascendente, anillo y válvula, más la valva anterior mitral. Luego, el cirujano adapta el implante según las necesidades del receptor.

También presentan la gran ventaja de una alta resistencia a la infección Es una válvula de muy buena hemodinámica y que no requiere anticoagulación. Entre sus desventajas se encuentra el hecho de que los homoinjertos son de disponibilidad limitada. Su implante es técnicamente más difícil y presentan una tasa moderada de falla estructural en el seguimiento, algo menor que la de las prótesis porcinas pero bastante mayor que la de las válvulas mecánicas.

Heteroinjerto

Son las prótesis biológicas más utilizadas en la actualidad. Se trata de válvulas de cerdo montadas en un soporte metálico (stent) que permite su sutura al anillo valvular.

Algunos modelos de prótesis incluyen una válvula intacta de cerdo, mientras que otros consisten en una neoválvula, que se confecciona con dos o tres válvulas porcinas.

Todas las válvulas con tejidos biológicos presentan baja trombogenicidad, por lo que su ventaja principal es que no requieren tratamiento anticoagulante en el largo plazo. Se debe indicar anticoagulación durante los primeros 3 meses posteriores al implante.Como contrapartida, las bioprótesis muestran una longevidad limitada, con fallas estructurales a partir de los 10 a 15 años del implante, en particular en pacientes menores de 65 años.

MARCAPASOSSe considera una prótesis de la estimulación oportuna y adecuada del corazón.

Un marcapasos es un dispositivo del tamaño de una caja de fósforos que funciona por medio de baterías y sirve para ayudar al corazón a latir de una manera más uniforme, usando para esto impulsos eléctricos. Estos aparatos pueden estimular tanto las cavidades superiores (aurículas) del corazón como las inferiores (ventrículos) o ambas.

El primer marcapasos utilizado data de 1950 y fue diseñado por un ingeniero canadiense llamado John Hopps. El aparato se usaba externamente y era incómodo y doloroso para el paciente. Ocho años más tarde se instaló por primera vez en el interior del cuerpo humano por un equipo sueco.

Marcapasos inteligentesTras la aparición del transistor, los marcapasos incorporaron esta tecnología, lo que permitió reducir su tamaño y a la vez incrementar su duración por reducción del consumo interno.

Posteriormente, la aplicación de circuitos hibridos semi-integrados e integrados y de la tecnología C-MOS en los generadores, permitió progresar en la reducción del consumo y tamaño de los mismos.

En la actualidad la tecnología de los marcapasos se basa en circuitos integrados y microprocesadores, cada vez con mayor capacidad de memoria . Además, en algunos casos es posible ampliar las funciones disponibles de uno ya implantado, por medio de telemetría y descarga de un nuevo software.

Pulso de estimulación de un marcapasos

Valores típicos:• corriente 10 mA, 1 ms

• voltaje 5 V, 0.5 ms

El dispositivo está formado por dos partes. Una, es el generador de impulsos que incluye la batería y algunos dispositivos eléctricos; y la segunda son los electrodos que corresponden a los cables que se fijan en las paredes del corazón.

El aparato es instalado cerca de la clavícula izquierda. El de un electrodo es conectado al ventrículo derecho, y si es que es de dos electrodos, el segundo se conecta a la aurícula derecha. Luego se unen los dos electrodos al marcapasos, los que transmitirán las señales del corazón al aparato. El generador de impulsos interpretará las señales y enviará una respuesta eléctrica al corazón para estimularlo.

• Es importante que la persona que tiene instalado un marcapasos lo someta a revisiones médicas periódicamente.

• Por medio de un ‘programador’ el doctor podrá conocer el estado en el que se encuentra el aparato y, si es necesario, puede usarlo para cambiar las funciones de éste.

• Comúnmente, las baterías duran entre 7 y 8 años. Una vez transcurrido ese tiempo, es necesario cambiar el marcapasos (no así los electrodos que pueden mantenerse por más tiempo).

RECOMENDACIONES DEL MARCAPASOS

• El marcapasos, como dispositivo electrónico, puede tener problemas al entrar en contacto con otros aparatos.

• Las personas que tienen uno instalado le es recomendable no manipular grupos electrógenos, equipos para soldar, algunos aparatos utilizados por los dentistas, máquinas de resonancia magnética, máquinas de radioterapia para el tratamiento del cáncer y equipos pesados o motores con imanes potentes.

• En cuanto a los teléfonos celulares es preferible no ubicarlo a menos de 15 centímetros de distancia del lugar donde se encuentra el marcapasos y utilizarlo por el oído derecho.

RECOMENDACIONES DEL MARCAPASOS

Parámetros generales de marcapasos

PARÁMETRO RANGO NECESARIO

FRECUENCIA 30 ppm a 120 ppm

AMPLITUD DE PULSO 0.6V a 7.5V

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

PERIODOS REFRACTARIOS

200 ms a 50 ms

BLANKING V 20 ms a 50 ms

FUNCION ELECTRONICA DEL MARCAPASO

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

Elementos de un marcapaso

• Amplificador de sensado

• Circuito lógico�• Circuito de comunicación �• Circuito de salida�

AMPLIFICADOR DE SENSADO

CIRCUITO LÓGICO

CIRCUITO DE COMUNICACIÓN

CORAZÓN ARTIFICIAL• Un corazón artificial es una prótesis que se

implanta en el cuerpo para reemplazar al corazón biológico.

• La primera implantación de un corazón artificial en el ser humano se llevó a cabo en diciembre de 1982.

• Avances en la microelectrónica, imanes de gran fortaleza y el diseño de sistemas de control hacen posible un implante de corazón que funciona eléctricamente. La unidad de energía consiste en un pequeño motor de corriente directa y un traductor de movimiento, y un sistema de control de microprocesador es usado para regular el índice de bombeo del corazón.

• Nuevos avances en el órgano artificial utiliza sensores electrónicos para regular el ritmo cardíaco y el flujo sanguíneo.

• Un nuevo proyecto de corazón artificial que se está realizando en la universidad RWTH de Aachen (Alemania) utiliza un microprocesador Atmel, el AT91SAM7X.

• El TAH (Totally implantable artificial heart ) AbioCor es un dispositivo del tamaño de una toronja con dos cámaras ventriculares, válvulas, un sistema hidráulico de bombeo y un sistema electrónico. Está hecho de titanio y plástico, pesa aproximadamente dos libras. Esta diseñado para encajar por completo dentro del cuerpo.

Componentes del corazón artificial TAH ABIOCOR

Bomba hidráulica interna - Similar a las bombas hidráulicas utilizadas en equipos pesados, éste componente mueve fluido hidráulico de un lado al otro del corazón artificial. Un engranaje que gira rápidamente dentro de la bomba crea presión para mover el fluido.

Válvula de transferencia - Esta válvula se cierra y se abre, permitiendo al fluido hidráulico moverse de un lado al otro del corazón artificial. Cuando el fluido se mueve hacia el lado derecho del corazón artificial, la sangre es bombeada hacia los pulmones a través de un ventrículo artificial. Cuando el fluido se mueve hacia el lado izquierdo del corazón artificial, la sangre es bombeada hacia el resto del cuerpo.

Sistema de transferencia de energía sin cables - Una bobina interna y externa transmite energía desde una batería externa, sin perforar la superficie de la piel. La bobina interna capta la energía y la envía hacia una batería interna y unidad de control.

Batería interna recargable - Esta batería es implantada en el abdomen. Esta le permite a las personas llevar a cabo de 30 a 40 minutos de actividad, como nadar y bañarse, mientras está desconectada del paquete de batería externa.

Unidad de control - Esta pequeña unidad electrónica es implantada en el abdomen. Está revisa y controla la velocidad a la cual el corazón bombea.

FUNCIONAMIENTO DEL TAH ABIOCOR

Cuatro válvulas del AbioCor son de plástico y se configuran como las válvulas cardíacas naturales. Los conductos de flujo de entrada están conectados a la izquierda y la aurícula derecha del corazón extirpado, y los conductos de flujo de salida están montados en las arterias. 

El dispositivo pesa aproximadamente un kilogramo y consume unos 20 vatios de potencia. La batería, bobina de inducción eléctrica interna y el módulo de controlador añaden otra kilogramo para el sistema implantado.

Baterías de litio-ion usado en el cinturón del paciente recargue continuamente la batería interna usando la bobina de inducción. Una consola de cabecera también puede  ser utilizado como una fuente de energía y el sistema de vigilancia.  

LA UNIDAD CENTRAL de la AbioCor está conectado por cable a un controlador que ajusta la frecuencia cardiaca de acuerdo con la del paciente el nivel de actividad. Una eléctrica bobina de inducción transmite energía a través de la piel.

CIRUGIA DE BYPASSBypass en el corazón es una operación que se le realiza al paciente cuando las arterias no pueden suministrar suficiente sangre al corazón. Las arterias pueden obstruirse con el tiempo debido a la acumulación de placa grasa. El bypass permite mejorar el flujo sanguíneo al corazón creando una nueva ruta o derivación alrededor de una sección obstruida o dañada de la arteria.

La operación consiste en coser una sección de una vena de la pierna o una arteria del pecho u otra parte del cuerpo a fin de sortear la sección obstruida o dañada de la arteria coronaria. El procedimiento crea una nueva ruta por la que puede fluir la sangre, para que el músculo cardíaco pueda recibir la sangre rica en oxígeno que necesita para funcionar adecuadamente.

Máquina de circulación extracorpórea

Estos "corazón y pulmones" mecánicos mantienen sangre con altos niveles de oxígeno circulando por el cuerpo. La máquina de circulación extracorpórea extrae la sangre. Se eliminan el dióxido de carbono y otros productos de desecho. El oxigenador agrega oxígeno y el intercambiador de calor del oxigenador calienta (o enfría) la sangre. La sangre comienza a circular de nuevo suavemente a través del organismo. Este proceso se denomina perfusión. La persona que hace funcionar la máquina de circulación extracorpórea es el perfusionista.

COMPONENTES DE LA BOMBA SE CIRCULACION EXTRACORPOREA

1.- Reservorio venoso: Recibe la sangre venosa del cuerpo desde las venas cavas. Permite el -escape de aire- que regresa con el flujo venoso (realiza una purga de gases).

2.-Oxigenador: Sustituye al pulmón en la circulación extracorporal. Oxigena la sangre a la vez que libera anhídrido carbónico (efecto Bohr Haldane).Hay dos tipos:

3.-Intercambiador de calor: Controla la temperatura de perfusión para alcanzar el enfriamiento o el recalentamiento de la circulación extracorpórea, de acuerdo a las necesidades. La mayoría de los intercambiadores emplean agua a una temperatura ideal. La diferencia de temperatura entre sangre y agua no debe superar los 14 ºC para evitar trastornos sanguíneos. El agua no debe superar los 42ºC durante el recalentamiento.

4-.Bombas:

-Bomba de rodillo(DeBakey)

Las más utilizadas en la cirugía de bypass cardiopulmonar en los últimos años. En esencia, consiste en varios tubos situados en la parte interna de una zona curva que está en el perímetro de unos rodillos. Estos se sitúan en los extremos de unos brazos que rotan continuamente. Un rodillo comprime el tubo continuamente, lo que produce el flujo sanguíneo constante.

- Bomba centrífuga

Similar a un ventilador ubicado dentro de una cubierta (de material elástico), acoplado a un motor.  Al rotar el ventilador crea una diferencia de presiones entre el tubo aferente y el eferente. Bombeando la sangre hacia el circuito arterial.  El paciente debe tener un medidor de flujo para controlar el gasto cardíaco en todo momento.