Aula 9
Licenciatura em Engenharia Biomédica
- RAMO II: Electrónica Médica
Paulo Mendes
http://dei-s1.dei.uminho.pt/pessoas/pmendes 2005/2006 1ºS.
Objectivos
•
Compreender a anatomia cardíaca básica
•
Compreender como os PA dão origem a um
sinal que pode ser registado por eléctrodos
externos
•
Caminhos da propagação do PA através do
coração
•
Origem das fases principais do ECG
•
Medição do ECG
Actividade eléctrica de células excitáveis
•
Células excitáveis • Existem no tecido nervoso e muscular • Exibem um potencial de repouso e um potencial de acção • Necessárias para transmissão de informação (e.g. Informação sensorial no sistema nervoso ou coordenação do bombear no coração) 0 mV - 70 mV despolarização: entrada de Na+ Repolarização: saída de K+ Na+ Ca++ K+Potencial de acção neuronal
Potencial de acção cardíaco Repolarização:
Estado repouso vs. Estado activo
•
Estado de repouso
• Diferença de potencial em repouso entre os meios externos e internos
• Tipicamente entre -70 to -90mV, relativamente ao meio externo
•
Estado activo
• Resposta eléctrica a estimulação adequada
• Consiste em potenciais de acção “tudo-ou-nada” após a célula ter atingido um potencial limiar
O coração
É uma bomba
Tem actividade eléctrica (potenciais de acção)
Gera corrente eléctrica que pode ser medida à superfície da pele (ECG - EKG)
Correntes e Tensões
•
Em repouso Vm é constante•
Não existe fluxo de corrente•
Dentro da célula existe um potencial constante•
Fora da célula existe um potencial constante++++++++++++++++++ ---Região de músculo cardíaco
fora dentro
0 mV +
-•
Durante a subida do PA Vm não é constante•
Existe fluxo de corrente•
Dentro da célula não existe um potencial constante•
Fora da célula não existe um potencial constante++++---++++++++++++++ Região de músculo cardíaco
fora dentro Algum potencial positivo + -corrente PA
Um potencial de acção que se propaga em direcção ao terminal positivo produz um sinal positivo
Mais correntes e tensões
Região de músculo cardíaco
fora
corrente
+
-Leitura de potencial negativo
---++++++++++++++ dentro ++++---Um potencial de acção que se afasta
do terminal positivo produz um sinal negativo
Mais correntes e tensões
corrente
---Região de músculo cardíaco totalmente despolarizado
fora dentro +++++++++++++++++++
Vm não está a mudar Não existe corrente Nem sinal ECG
+++++++---Região de músculo cardíaco
fora dentro ---+++++++++++ Durante a repolarização +
-Algum potencial negativo
Repolarização espalha-se em direcção ao terminal positivo produz uma resposta negativa
A ECG
•
Permite registar uma reflexão da actividade
cardíaca na superfície da pele
•
A amplitude e polaridade do sinal dependem
de
• O que é que o coração está a fazer electricamente • A despolarizar
• A repolarizar • outro
Condução e excitação nervosa do coração:
•
Nodo sino- auricular (SA): Onde é gerado o impulso rítmico normal.•
Fibras internodais: Encaminham o impulso do SA para o nodoatrioventricular (AV).
•
Nodo AV: Onde o impulso éretardado antes de passar para os ventrículos.
•
Feixe AV: Conduz o impulso do nodo AV para os ventrículos.•
Fibras de Purkinje: Conduzem o impulso a todas as regiões dos ventrículos.Nodo Sino- Auricular:
•
É uma pequena faixa de músculo especializado, em forma de elipsóide (14x3x1 mm) localizado naparede superior da aurícula direita ao lado da entrada da veia cava superior.
•
As suas fibras estão directamente ligadas às fibras musculares das aurículas pelo que qualquerpotencial de acção que ali aconteça se propaga imediatamente ao músculo cardíaco.
•
Promove a sua própria contracção pelo que determina, em grande medida o ritmo cardíaco.Nodo AV e atraso na propagação do impulso para os ventrículos:
•
O nodo AV está localizado na aurícula direita imediatamente atrás da válvula tricúspida.•
O atraso na propagação do impulso entre os dois nodos (SA e AV) permite que o sangue passe das aurículas para osventrículos antes de estes iniciarem o processo de contracção que expele o sangue.
•
O atraso na propagação do sinal deve-se, em particular, ao número limitado de junções existentes entre as células das fibras (fibras de junção) que levam o sinal do nodo SA ao AV e aos potenciais de repouso das respectivas células,significativamente menores do que os das fibras musculares normais.
Propagação do impulso cardíaco nas fibras de Purkinje
•
A propagação nas fibras de Purkinje é unidireccional, evitando a propagação de potenciais de acção dos ventrículos para as aurículas.•
A propagação nas fibras de Purkinje é muito rápida (provavelmente devido ao contacto entre as suas células que permite a passagem de iões entre elas) com velocidades da ordem de 1.5 m/ s a 4 m/ s(150x mais rápido do que nas fibras SA-AV).
•
A propagação do sinal a todo o ventrículo desde que este entra nas fibras de Purkinje é de cerca de 0.03s.Sistema de Condução
Impulso eléctrico nódulo SA (sino- auricular) nódulo AV (aurículo- ventricular) feixe aurículo-ventricular Septo interventricular•
O músculo cardíaco tem a propriedade de contrair e relaxar ritmicamente•
Oscilação da actividade eléctrica que se gera nas células musculares e que induz a contracção destas.Sistema de Condução
Rede de Purkinje Fibras de Purkinje propagação rápida dos potenciais de acção Nódulo SAPotenciais de acção
•
Potencial de acção → fase rápida de despolarização →parcial repolarização → planalto → fase rápida de repolarização
•
Despolarização → abertura dos canais de sódio → iões sódiodifundem-se nas células → rápida despolarização
•
Repolarização parcial → fecho dos canais de sódio•
Planalto → canais: de cálcio abertos/ de potássio fechados.•
Fase rápida de repolarização → fecho dos canais de cálcio e aumento do nº de canais de potássio abertos.Fluxo da actividade eléctrica cardíaca
Nódulo SA músculo auricular
Nódulo AV (lento)
Sistema condutor
de Purkinje músculo ventricular
Fibras
condutoras internós
Condução no coração
0.12-0.2 s approx. 0.44 sSA
Atria
Atrial muscle
SA node Left atrium
Descending aorta Inferior vena cava Ventricluar Pulmonary veins Superior vena cava Tricuspid valve Mitral valve AV node Purkinje fibers muscle Specialized conducting tissue Purkinje Ventricle node node AV
Potenciais de acção no coração
AV Purkinje Ventricle Aortic artery Left atrium Descending aorta Inferior vena cava Ventricluar Atrial muscle Pulmonary veins Superior vena cava Pulmonary artery Tricuspid valve Mitral valve Interventricular septum AV node SA node ECG QT PR 0.12-0.2 s approx. 0.44 s SA Atria Purkinje fibers muscle Specialized conducting tissueComportamento eléctrico do coração
•
Sistema de condução•
Origem no sino-auricular: pacemaker•
Condução aurículo-ventricular•
ECG Completa•
Problemas no pacemaker, condução, canais iónicosElectrocardiograma (ECG)
•
Mede a actividade do coração•
Fonte de actividade cardíaca: modelo - dipolo• Representação por circuito eléctrico: gerador equivalente
•
Medição na superfície do corpo ou intracardíaco• Colocar eléctrodos no torso, braços, pernas; cateter no coração
Vector cardíaco - tem amplitude e direcção => Dipolo ( vector eléctrico com amplitude e direcção para a fonte) +
-Modelo – Dipolo
•
Dipolo representa a actividade cardíaca do coração•
Mudanças na amplitude e orientação do dipoloÁlgebra Vectorial
•
Produto escalar de vectores, onde va1 é uma tensão escalar:•
Quando o vector é perpendicular a M, vθa1 é zerocos
1
1 = M ⋅a = M
a
Triângulo de Einthoven
•
São utilizados trêsvectores par identificar completamente a
actividade eléctrica
• Vectores mostrados no plano frontal do corpo
•
É utilizada a lei de Kirchhoff para os três leadsECG no plano transversal
•
São utilizados eléctrodos no peito para obter a ECG no plano transversalA ECG Normal
P Q R S T Braço direito Perna esquerda QT PR 0.12-0.2 s approx. 0.44 s Despolarização do músculo auricular Despolarização do músculo ventricular repolarização do músculo ventricular “Lead II”Frequências dos biopotenciais
0.01 – 100 50 – 3000 EMG 0.001 – 0.3 0.01 – 10 EOG 0.001 – 1 0.1 – 80 EEG 0.05 – 3 0.01 – 100 ECG Gama de amplitudes (mV) Gama de frequências (Hz) BiopotencialPacemakers Cardíacos
•
Um estimulador eléctrico para induzir a
contracção do coração
• Muito baixa corrente, baixo duty-cycle
•
Pulsos eléctricos são conduzidos a várias
localizações
• Na superfície (epicardio)
• Dentro do músculo (miocardio)
• Dentro da cavidade do coração (endocardio)
•
Necessário quando o coração não produz
Pacemakers Cardíacos
•
Dispositivo assíncrono é free-running
• Produz estimulação uniforme
independentemente da actividade cardíaca • Diagrama de blocos mostra os componentes
de um pacemaker assíncrono
• Power supply – fornece energia
• Oscilador – controla a taxa de pulsos • Pulse output – produz o estímulo
• Lead wires – conduz o estímulo
• Eléctrodos – transmite o estimulo ao tecido • A forma mais simples de pacemaker; em
desuso Power Supply Oscillator Pulse Output Circuit Lead Wires Electrodes
Pacemaker: Circuito de saída
•
Output circuit produces the electrical stimuli to be applied to the heart•
Stimulus generation is triggered by the timing circuit•
Constant-voltage pulses• Typically rated at 5.0 to 5.5V for 500 to 600µs
•
Constant-current pulses• Typically rated at 8 to 10mA for 1.0 to 1.2ms
•
Asynchronous pacing rates – 70 to 90 beats per min; non-fixed ranges from 60 to 150bpm•
With an average current drain of 30µW, a 2 A-h batteryPacemakers Síncronos
•
Previnem possíveis efeitos perniciosos
devido ao ritmo contínuo(i.e. taquicardia,
fibrilação)
• Minimiza a competição entre ritmo normal
•
Dois tipos de pacemakers síncronos
• Pacemakers de solicitação
Pacemakers de solicitação
•
Utilizam os componentes assíncronos e uma malha de realimentação•
O circuito de temporização opera a uma taxa fixa (60 to 80 bpm)•
Após cada estímulo, o temporizador é reiniciado•
Se ocorrerem batidas normais durante o estímulo, o temporizador é reiniciado Timing Circuit Output Circuit Electrodes Reset Circuit Amp•
Os ritmos cardíacos normais evitam a estimulação pelo pacemakerPacemaker síncrono - auricular
•
O disparo do nodo SA activa opacemaker
•
São utilizados atrasos parasimular o atraso entre os nós AS e AV (120 ms) e para criar um período refractário (500ms)
•
Circuito de saída controla a contracção ventricular•
Combinando o pacemaker de solicitação com estaarquitectura permite obter um dispositivo que controla a
actividade cardíaca ao ritmo
Atrial
Electrode Amp Gate
Monostable Multivibrator 120ms Delay Monostable Multivibrator 500ms Delay Monostable Multivibrator 2ms Delay Output Circuit Ventricular Electrode
Exemplo Comercial
•
Dimensões e formatípica de um pacemaker implantável
•
A parte de cima éutilizada para interface com as ligações
Arritmias: Fibrilação Ventricular
Batimento descoordenado das células do coração, resultando em ausência de pressão cardíaca. Choque eléctrico urgente ou …danos cerebrais ou…
Desfibrilador externo ou implantável.
Entretanto fazer CPR (ressuscitação cardiopulmunar) Pressão sanguínea cai para zero – sem saída cardíaca e é necessário desfibrilar
Desfibriladores
•
Utilizados para reverter a fibrilação do coração
•
A fibrilação conduz à perda de saída cardíaca e à
morte ou a danos cerebrais irreversíveis se não
for revertida dentro de 5 minutos desde o início
•
Pode ser utilizado o choque eléctrico para
restabelecer a actividade normal
•
Existem quatro tipos base de desfibriladores
• Desfibrilador AC
• Desfibrilador de descarga capacitiva
• Desfibrilador de descarga capacitiva com linha de atraso
Desfibriladores
•
A desfibrilação por choque eléctrico é
conseguida através da passagem de corrente
por eléctrodos colocados:
• Directamente no coração – necessita baixo nível de corrente e exposição cirúrgica do coração
• Transtorácica – através da utilização de
eléctrodos de grande área no tórax anterior – necessita de níveis elevados de corrente
Desfibrilador
: Descarga capacitiva
•
Circuito para criar um pulso de desfibrilação de curta duração e elevada amplitude•
O clinico descarrega o condensadorcarregando num botão quando os eléctrodos estão firmemente no sitio
•
Uma vez completo, o interruptor regressa automaticamente à posição originalDesfibrilador : Alimentação
•
Com este desenho, o desfibrilador utiliza:• 50 a 100 Joules de energia quando se aplicam os eléctrodos directamente sobre o coração
• Até 400 Joules quando se aplicam no exterior
•
A energia armazenada no condensador é dada por:•
Condensadores na gama entre 10 a 50µF•
A voltagem utilizando estes condensadores e para uma energia máxima de 400 J varia entre 1 e 3 kV•
Perdas de energia provocam a entrega de menos energia que a prevista teoricamente2
2Cv
Desfibrilador : Pulsos de saída
•
Pulsos monofásicos são tipicamente programáveis entre 3 e 12 ms•
Pulso positivo bifásico é normalmente programável entre 3 e 10 ms e o pulso negativo entre 1 e 10 ms•
Estudos sugerem que os pulsos bifásicos permitem uma melhor eficácia de desfibrilação relativamente aosDesfibrilador : Eléctrodos
•
Deve existir um excelente contacto com o corpo
• Podem existir sérias queimaduras se não existir um bom contacto durante a descarga
•
É necessário um bom isolamento
• Não queremos desfibrilar o técnico
•
Existem três tipos:
• Interno – utilizado para estimulação cardíaca directa • Externo – utilizado para estimulação transtorácica • Descartável – utilizado no exterior
Desfibriladores implantáveis automáticos
•
De aspecto semelhante aos pacemakers e são
constituídos por:
• Um meio de detectar fibrilação ou taquicardia
• Fonte de alimentação e meio de armazenar energia • Eléctrodos para entregar o estímulo
•
Os eléctrodos de desfibrilação são utilizados
para detectar os sinais electrofisiológicos
•
É utilizado o processamento de sinal para
controlar a estimulação
• São também utilizados sinais mecânicos
