Desfibrilador externo

Antecedentes

Un desfibrilador externo es un dispositivo que administra una descarga eléctrica al corazón a través de la pared torácica. Este choque ayuda a restaurar el corazón a un ritmo regular y saludable. El dispositivo se vende generalmente como un kit que consta de una unidad de control de potencia, electrodos de paleta y varios accesorios. Las piezas se fabrican individualmente y se ensamblan mediante un proceso de producción integrado. Desde entonces, los fabricantes de dispositivos médicos han introducido varios desfibriladores, internos y externos, que han agregado años a la vida de los pacientes.

Para comprender cómo un desfibrilador puede reiniciar un corazón estancado, se debe considerar la fisiología del órgano. El corazón humano tiene cuatro cámaras, que crean dos bombas. La bomba derecha recibe la sangre sin oxígeno que regresa del cuerpo y la bombea a los pulmones. La bomba izquierda recibe la sangre oxigenada de los pulmones y la bombea al resto del cuerpo. Ambas bombas tienen una cámara de ventrículo y una cámara de atrio y funcionan de manera similar. La sangre se acumula en la aurícula y luego se transfiere al ventrículo. Tras la contracción, el ventrículo bombea la sangre fuera del corazón.

La coordinación de la acción de bombeo es fundamental para que el corazón funcione correctamente. Una región de marcapasos, que se encuentra en la aurícula derecha del corazón, es responsable de este control. En esta región, se crea un impulso eléctrico espontáneo por la difusión de iones calcio, iones sodio e iones potasio a través de las membranas celulares. El impulso así creado se transfiere a las cámaras de la aurícula, lo que hace que se contraigan, empujando la sangre hacia los ventrículos. Después de unos 150 milisegundos, el impulso se mueve hacia los ventrículos, lo que hace que se contraigan y bombeen sangre fuera del corazón. A medida que el impulso se aleja de las cavidades del corazón, estas secciones se relajan. En un corazón normal, el proceso se repite.

En algunos casos, el sistema de control eléctrico del corazón funciona mal y da como resultado un latido cardíaco irregular, como la fibrilación ventricular. Varias afecciones pueden causar fibrilación ventricular, incluidas arterias bloqueadas, mala reacción a la anestesia y descarga eléctrica. Los desfibriladores se utilizan para suministrar una fuerte descarga eléctrica al corazón. Se colocan dos electrodos en el pecho y se administra una descarga. Un dispositivo desfibrilador típico administrará una descarga durante tres a nueve milisegundos. Por razones que no se comprenden del todo, el choque esencialmente restablece el ritmo ventricular natural y permite que el corazón lata normalmente.

En la práctica, un desfibrilador externo se puede operar en un lugar de emergencia o en un hospital. El operador primero enciende la máquina y luego aplica un gel conductor a los electrodos de la paleta o al pecho del paciente. Se selecciona el nivel de energía y se carga el instrumento. Las paletas se colocan firmemente sobre el pecho desnudo del paciente con una presión de aproximadamente 11 kg (25 lb). Los botones de los electrodos se presionan simultáneamente y se administra la descarga eléctrica. Luego, se monitorea al paciente para detectar un latido cardíaco regular. El proceso se repite si es necesario.

Historial

El descubrimiento de que un corazón que falla puede reiniciarse mediante una carga eléctrica es uno de los grandes avances de la medicina moderna. Esta idea se inició alrededor de 1888 cuando Mac William sugirió que la fibrilación ventricular podría ser la causa de la muerte súbita. La fibrilación ventricular es una afección en la que el corazón late repentinamente de manera irregular, lo que impide su capacidad de bombeo de sangre que, en última instancia, puede provocar la muerte. Puede ser causado por un bloqueo de la arteria coronaria, varios tipos de anestesia y una descarga eléctrica.

En 1899, Prevost y Batelli hicieron el descubrimiento crucial de que grandes voltajes aplicados a través del corazón podrían detener la fibrilación ventricular en animales. Varios otros científicos estudiaron más a fondo los efectos de la electricidad en el corazón a principios del siglo XIX.

Durante las décadas de 1920 y 1930, las compañías eléctricas apoyaron la investigación en este campo porque la fibrilación ventricular inducida por descargas eléctricas mató a muchos trabajadores de las líneas eléctricas. Hooker, William B. Kouwenhoven y Orthello Langworthy produjeron uno de los primeros éxitos de esta investigación. En 1933, publicaron los resultados de un experimento, que demostró que una corriente alterna aplicada internamente podría usarse para producir un contragolpe que revirtiera la fibrilación del ventrículo en perros.

En 1947, el Dr. Claude Beck informó sobre la primera desfibrilación humana exitosa. Durante una cirugía, Beck vio a su paciente experimentando una fibrilación ventricular. Aplicó una corriente alterna de 60 Hz y pudo estabilizar los latidos del corazón. El paciente vivió y nació el desfibrilador. En 1954, Kouwenhoven y William Milnor demostraron la primera desfibrilación torácica cerrada en un perro. Este trabajo implicó la aplicación de electrodos en la pared torácica para administrar la contra descarga eléctrica necesaria. En 1956, Paul Zoll utilizó las ideas aprendidas de Kouwenhoven y realizó la primera desfibrilación externa exitosa de un ser humano.

William Kouwenhoven.

William Bennett Kouwenhoven nació el 13 de enero de 1886 en Brooklyn. Formado como ingeniero eléctrico, sus contribuciones más duraderas a la ciencia provienen del ámbito médico. Utilizando su experiencia en ingeniería eléctrica, Kouwenhoven inventó tres desfibriladores diferentes y desarrolló técnicas de reanimación cardiopulmonar (RCP).

En la década de 1920, el interés de Kouwenhoven cruzó entre la ingeniería eléctrica y la medicina. Su trabajo de ingeniería se centró en la transmisión de electricidad por cables de alta tensión. Kouwenhoven se interesó en el posible papel de la electricidad en la reactivación de los animales. Sabía que cuando se aplicaba al corazón, una corriente eléctrica podía volver a ponerlo en marcha.

Desde 1928 hasta mediados de la década de 1950, Kouwenhoven desarrolló tres desfibriladores:el desfibrilador de tórax abierto, el desfibrilador de CA Hopkins y luego Mine Safety Portable. Estos estaban pensados ​​para su uso dentro de los dos minutos posteriores al inicio de la fibrilación ventricular, y al menos uno requería contacto directo con el corazón. En 1956, Kouwenhoven comenzó a desarrollar un método no invasivo. Durante un experimento con un perro, se dio cuenta de que el peso de las paletas del desfibrilador elevaba la presión arterial del animal. Basado en esto, Kouwenhoven desarrolló la RCP.

A principios de la década de 1960, la CPR se estaba utilizando en todo Estados Unidos. El trabajo pionero de Kouwenhoven fue reconocido por la comunidad médica y el establecimiento de ingeniería eléctrica. Fue galardonado con la medalla de oro de la Asociación Médica Estadounidense (AMAj Ludwig Hekton Gold en 1961 y 1972, y la medalla Edi-son del Instituto Estadounidense de Ingeniería Eléctrica en 1962. Johns Hopkins otorgó a Kouwenhoven un MD honorario en 1969 (es la única persona que ha recibió este honor) Ganó el Premio de Investigación Clínica Albert Lasker en 1973. Kouwenhoven murió el 10 de noviembre de 1975.

En la década de 1960, los científicos descubrieron que los desfibriladores de corriente continua tenían menos efectos secundarios adversos y eran más efectivos que los desfibriladores de corriente alterna. En 1967, Pantridge y Geddes demostraron que el uso de un desfibrilador de CC móvil a batería podía salvar vidas. A finales de los sesenta, el Dr. Michael Mirowski introdujo un desfibrilador implantable. Tanto los desfibriladores internos como los externos se rediseñaron en la década de 1970 para detectar automáticamente la fibrilación ventricular. A medida que se dispuso de mejoras en la electrónica y las computadoras, estas tecnologías se adaptaron a los desfibriladores.

Hoy en día, la desfibrilación se ha convertido en una parte integral de la rutina de respuesta a emergencias. De hecho, la Asociación Estadounidense del Corazón considera que la desfibrilación es una habilidad básica de soporte vital para los paramédicos y los rescatistas.

Materias primas

Se deben utilizar materias primas biocompatibles en la construcción de desfibriladores porque interactúan con los pacientes. Los materiales también deben ser farmacológicamente inertes, no tóxicos, esterilizables y funcionales en una variedad de condiciones ambientales. Las diversas partes del desfibrilador, incluida la carcasa de la caja de control, la microelectrónica y los electrodos, están fabricadas con materiales biocompatibles. Normalmente, la carcasa está hecha de un plástico de poliestireno duro o una aleación de metal ligero. Los electrodos están hechos de titanio y caucho de silicona. La microelectrónica está hecha de semiconductores de silicio modificados. Los materiales primarios utilizados en la construcción de baterías pueden incluir numerosos compuestos como plomo ácido, níquel-cadmio, zinc, litio, dióxido de azufre y dióxido de manganeso.

Diseño

El diseño básico de un desfibrilador externo incluye una caja de control, una fuente de alimentación, electrodos de administración, cables y conectores. Si bien estos dispositivos a veces se implantan en pacientes, este trabajo se centra en unidades portátiles que se utilizan en hospitales y lugares de emergencia.

Controles

La caja de control es una caja de plástico pequeña y liviana. Contiene los circuitos de generación y almacenamiento de energía. En general, la carga que se entrega al paciente es generada por circuitos de generación de alto voltaje a partir de energía almacenada en un banco de condensadores en la caja de control. El banco de condensadores puede contener hasta 7 kV de electricidad. El impacto que puede producirse con este sistema puede oscilar entre 30 y 400 julios. La caja de control también alberga la electrónica de control y los botones de entrada del operador. Los controles típicos de una caja de control de desfibrilador incluyen un botón de control de encendido, un control de selección de energía, un botón de carga y un botón de descarga de energía. Algunos desfibriladores tienen controles especiales para palas internas o electrodos desechables.

Electrodos

Los electrodos son los componentes a través de los cuales el desfibrilador suministra energía al corazón del paciente. Hay muchos tipos de electrodos disponibles, incluidas palas de mano, palas internas y electrodos desechables pre-gelificados autoadhesivos. En general, se prefieren los electrodos desechables en situaciones de emergencia porque tienen ventajas tales como aumentar la velocidad de descarga y mejorar la técnica de desfibrilación. El tamaño de la paleta afecta el flujo de corriente. Las paletas más grandes crean una resistencia menor y permiten que llegue más corriente al corazón. Por tanto, las paletas más grandes son más deseables. La mayoría de los fabricantes ofrecen palas para adultos, que miden entre 8 y 13 cm (3,1-5,1 pulgadas) de diámetro, y palas para niños, que son más pequeñas.

Dado que la piel es un mal conductor de la electricidad, se debe utilizar un gel entre el electrodo y el paciente. Sin este conductor, se reduciría el nivel de la corriente que llega al corazón. Además, la piel puede quemarse. Hay una variedad de geles y pastas disponibles para este propósito. Estos están compuestos por ingredientes cosméticos como lanolina o vaselina. Los iones de cloruro en la fórmula también ayudan a formar un puente conductor entre la piel y el electrodo, lo que permite una mejor transferencia de carga. Muchos de estos materiales son los mismos compuestos que se utilizan para otros dispositivos médicos, como los escáneres de ECG.

Batería

Las baterías son esencialmente contenedores de reacciones químicas. En los desfibriladores, se utilizan una variedad de baterías. Se caracterizan por las reacciones químicas que contienen e incluyen sistemas de plomo-ácido, litio y níquel-cadmio. Por lo general, estas baterías se pueden recargar con una fuente de alimentación externa y, cuando no se utilizan, los desfibriladores se almacenan enchufados. Dado que las temperaturas extremas afectan negativamente a las baterías, los desfibriladores se almacenan en entornos controlados. Con el tiempo, las baterías se gastan y se reemplazan. Esto es importante porque la química de las baterías es intrínsecamente corrosiva y potencialmente tóxica.

Desfibriladores externos automatizados

En 1978, se introdujo el desfibrilador externo automático. Este dispositivo está equipado con sensores que se aplican al tórax y determinan si realmente se está produciendo fibrilación ventricular. Si se detecta, el dispositivo indica en voz alta las instrucciones para administrar una descarga eléctrica. Estos dispositivos automatizados reducen en gran medida la formación necesaria para utilizar un desfibrilador y han salvado miles de vidas.

El
proceso de fabricación

Los desfibriladores son dispositivos electrónicos sofisticados. Por lo general, los fabricantes dependen en gran medida de los proveedores para producir los componentes. Luego, estas piezas se envían al fabricante y se ensamblan para formar el producto final. Por tanto, el proceso no es lineal sino integrado.

Fabricación de baterías

• 1 Un tipo de batería que se utiliza en los desfibriladores es una batería de litio. El diseño de este tipo de batería implica la conexión de múltiples celdas. En el caso de los desfibriladores, las celdas se componen de metal litio y gas de dióxido de azufre. Trabajando en condiciones libres de oxígeno, el litio se moldea en una caja sólida y se agrega dióxido de azufre.
• 2 Luego, la celda se sella herméticamente para evitar que el gas de dióxido de azufre se escape y entre humedad. En un diseño de batería, cuatro de estas celdas de litio están conectadas en serie y empaquetadas en una carcasa sólida. Se monta un fusible de 8 amperios en cada celda por razones de seguridad. Todas las celdas tienen un respiradero que se puede usar para liberar presión si se acumula demasiado.

Creación de la carcasa

• 3 Para fabricar la carcasa y la carcasa exterior de los electrodos, se puede utilizar un proceso conocido como moldeo por inyección. En este procedimiento, los gránulos de plástico se funden y se les da forma. Los gránulos de plástico se colocan en un contenedor adjunto a la máquina de moldeo por inyección y se funden.
• 4 Luego, el material pasa a través de un tornillo controlado hidráulicamente. A medida que gira el tornillo, el plástico se derrite aún más. Se dirige a través de una boquilla y se inyecta en el molde. El molde está formado por dos mitades metálicas que forman la forma de la pieza cuando se juntan. Cuando el plástico está en el molde, se mantiene bajo presión por un momento y luego se enfría. A medida que se enfría, el plástico se endurece y toma la forma del molde. Un kit de desfibrilador externo. Las piezas del molde se separan y la pieza de plástico cae sobre un transportador. A continuación, el molde se vuelve a cerrar y se repite el proceso. Una vez expulsadas las piezas de plástico del molde, se inspeccionan manualmente.

Fabricación de la electrónica

• 5 La placa base dentro de la carcasa contiene todos los circuitos eléctricos del desfibrilador, incluidos chips semiconductores, resistencias, condensadores y otros dispositivos. Usando un intrincado método conocido como hibridación, estos componentes se combinan para formar un solo circuito complejo. La construcción comienza con una pequeña placa que tiene impresa la configuración del circuito electrónico.
• 6 Luego, el tablero se mueve a través de una máquina computarizada que coloca los componentes apropiados exactamente donde se necesitan en el tablero. Esta acción se logra colocando un cabezal en el dispositivo. Sostiene el componente electrónico y lo presiona sobre el tablero.
• 7 Luego, los componentes electrónicos se fijan a la placa mediante una máquina de soldar utilizando un número mínimo de soldaduras. Se deja enfriar el circuito y se prueba antes de conectarlo a la carcasa de la caja de control.

Ensamblaje

• 8 Los trabajadores de línea fijan manualmente las tarjetas electrónicas a la carcasa en condiciones extremadamente limpias. Los tableros son El posicionamiento de las palas del desfibrilador. adjunta con varios tornillos y sujetadores. Las carcasas están equipadas con botones de control y adaptadores de electrodos metálicos. Todo el conjunto se cierra con tornillos y se envía a una zona de prueba y embalaje final.

Fabricación de electrodos de paleta

• 9 Además de la carcasa exterior, los electrodos de la paleta están formados por una placa de metal y un cable que los conecta a la máquina principal. La placa de metal es una aleación conductora como el estaño. La placa se fabrica utilizando una máquina llamada "colada continua". La rueda convierte el estaño fundido en láminas delgadas forzándolo entre rodillos grandes enfriados por agua. Se rocía una fina capa de cloruro estannoso sobre las láminas y se cortan en el tamaño apropiado para el electrodo.
• 10 El cable se produce mediante una técnica de dibujo. En este paso, el metal se calienta hasta que se ablanda. Luego se extiende y se estira para producir un alambre largo.
• 11 Luego, el cable se corta y se agrupa con otros cables. El haz de alambres se recubre con un aislante polimérico relativamente grueso y se envuelve en una funda aislante. Un extremo del cable está soldado a la placa de metal.
• 12 A continuación, la placa se coloca manualmente en la carcasa exterior y el cable se introduce a través de un orificio en la parte posterior de la carcasa.
• 13 El extremo del cable está equipado con un adaptador que se puede conectar a la caja de control.

Montaje final

• 14 Cuando se completan todos los componentes, se juntan en un paquete final. Los trabajadores de línea toman las partes individuales de la máquina, incluidos los electrodos, la batería y la caja de control, y las colocan en una caja acolchada. También incluyen cables, manuales de instrucciones y otra información.
• 15 Antes de enviar cualquier producto, se prueba para asegurarse de que ofrece la carga adecuada.

Control de calidad

La realización de inspecciones visuales y eléctricas a lo largo de todo el proceso productivo asegura la calidad de cada desfibrilador. La fabricación de circuitos electrónicos es particularmente sensible a la contaminación, por lo que la producción se realiza en salas limpias con flujo de aire controlado. La ropa que usan los trabajadores de montaje en línea debe estar libre de pelusa para ayudar a reducir la posibilidad de contaminación. Dado que las baterías son críticas y potencialmente peligrosas, están sujetas a pruebas exhaustivas de rendimiento, seguridad y estabilidad. El rendimiento funcional de cada desfibrilador completado se prueba para asegurarse de que funcione. Esto se puede lograr cargando la batería, descargando el dispositivo y midiendo la salida de carga. Para simular el uso en la vida real, estas pruebas se realizan en diferentes condiciones ambientales. Las pruebas de calidad también se realizan de forma rutinaria después de la compra de los desfibriladores. El personal de ingeniería realiza comprobaciones de mantenimiento cada tres a seis meses, según el uso. Por lo general, esto implica una prueba de carga-descarga.

Cada empresa que fabrica dispositivos médicos debe registrarse en la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA). Deben adherirse a los estándares de calidad de la FDA conocidos como "buenas prácticas de fabricación". Esto requiere extensos procedimientos de mantenimiento de registros y también somete al fabricante a una inspección de rutina de la instalación para verificar el cumplimiento.

El futuro

En el futuro, se mejorarán los desfibriladores para que sean más seguros y eficientes. Por ejemplo, los diseñadores están mejorando continuamente el diseño del electrodo para reducir las posibilidades de que el operador del dispositivo reciba una descarga. Una patente reciente emitida en los Estados Unidos describe un sistema de electrodos que usa un cable en forma de Y solo para este propósito. Los avances en la fabricación de circuitos integrados también harán que los dispositivos sean más fáciles de usar y más ligeros.

Otra área importante de mejora se encontrará en la tecnología de baterías. Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los Estados Unidos han patentado una nueva aleación de metal que debería mejorar en gran medida el rendimiento de la batería recargable. La aleación se puede incorporar a una batería de níquel / hidruro metálico para proporcionar un aumento significativo en la capacidad de almacenamiento de carga. Además de estas áreas de avance, también se introducirán mejoras en el diseño de desfibriladores, como la incorporación de más sensores para brindar información vital sobre la condición de un paciente.

Dónde obtener más información

Libros

Carr, J. J. Introducción a la tecnología de equipos biomédicos. 2ª ed. Carrera y tecnología de Prentice Hall, 1993.

Fox, Stuart. Fisiología humana. W. C. B. Publishers, 1990.

Oever, R. V. D. Estimulación cardíaca y electrofisiología:un puente hacia el 21 ^st Siglo . Kluwer Acedemic Publishers, 1994.

Publicaciones periódicas

Shakespeare, C. F. y A. J. Camin. "Electrofisiología, estimulación y arritmia". Cardiología clínica 15 (1992):601-606.

Otro

Worthington, Janet Farrar. "El ingeniero que pudo". Noticias médicas de Hopkins. 18 de marzo de 1998. 2 de octubre de 2001. .

Perry Romanowski