Marcapasos

El marcapasos es un dispositivo biomédico electrónico que puede regular los latidos del corazón humano cuando se rompen sus mecanismos reguladores naturales. Es una pequeña caja implantada quirúrgicamente en la cavidad torácica y tiene electrodos que están en contacto directo con el corazón. Desarrollado por primera vez en la década de 1950, el marcapasos ha sufrido varios cambios de diseño y ha encontrado nuevas aplicaciones desde su invención. Hoy en día, los marcapasos se utilizan ampliamente y se implantan anualmente en decenas de miles de pacientes.

Antecedentes

El corazón está compuesto por cuatro cámaras, que forman dos bombas. La bomba derecha recibe la sangre que regresa del cuerpo y la bombea a los pulmones. La bomba izquierda extrae sangre de los pulmones y la bombea al resto del cuerpo. Cada bomba está formada por dos cámaras, una aurícula y un ventrículo. El atrio recoge la sangre entrante. Cuando se contrae, transfiere la sangre al ventrículo. Cuando el ventrículo se contrae, la sangre se bombea desde el corazón.

En un corazón que funciona normalmente, la acción de bombeo está sincronizada por la región del marcapasos del corazón, o nódulo sinoauricular, que se encuentra en la aurícula derecha. Este es un marcapasos natural que tiene la capacidad de generar energía eléctrica. El impulso eléctrico se crea por la difusión de iones de calcio, iones de sodio e iones de potasio a través de la membrana de las células en la región del marcapasos. El impulso creado por el movimiento de estos iones se transfiere primero a las aurículas, lo que hace que se contraigan y empujen 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 cada cámara del corazón, esa sección se relaja.

Desafortunadamente, el marcapasos natural puede funcionar mal y provocar latidos cardíacos anormales. Estas arritmias pueden ser muy graves y causar desmayos, ataques cardíacos e incluso la muerte. Los marcapasos electrónicos están diseñados para complementar los propios controles naturales del corazón y para regular los latidos del corazón cuando estos se descomponen. Puede hacer esto porque está equipado con sensores que monitorean constantemente el corazón del paciente y una batería que envía electricidad, cuando es necesario, a través de cables conductores al corazón mismo para estimular el latido del corazón.

Además de las unidades externas, los marcapasos artificiales se pueden implantar de forma permanente en el tórax de un paciente. Esto se hace guiando primero el cable a través de una vena hasta una cámara del corazón, donde se asegura el cable. Las imágenes fluoroscópicas ayudan a facilitar este proceso. A continuación, se coloca el marcapasos en un bolsillo, que se forma mediante una cirugía justo encima del cuadrante abdominal superior. A continuación, se conecta el cable conductor al marcapasos y se cose el bolsillo para cerrarlo. Esta es una gran mejora con respecto a los primeros métodos, que requerían abrir la cavidad torácica y conectar los cables directamente a la superficie exterior del corazón.

Historial

La idea de utilizar un dispositivo electrónico para proporcionar una regulación constante del latido del corazón no fue inicialmente obvia para los primeros desarrolladores del marcapasos. El primer marcapasos, desarrollado por Paul Zoll en 1952, fue una versión portátil de un reanimador cardíaco. Tenía dos cables conductores que podían sujetarse a un cinturón que usaba el paciente. Fue enchufado a la toma de corriente más cercana y entregó una descarga eléctrica que estimuló el corazón de un paciente que estaba sufriendo un ataque. Esta estimulación suele ser suficiente para que el corazón reanude su función normal. Aunque moderadamente eficaz, este marcapasos temprano se utilizó principalmente en situaciones de emergencia.

A lo largo de 1957 y 1960 se realizaron mejoras significativas a la invención original de Zoll. En un intento por reducir la cantidad de voltaje necesario para reiniciar el corazón y aumentar el tiempo que se podía lograr la estimulación electrónica, C. Walton Lillehei fabricó un marcapasos que tenía cables conectados directamente a la pared externa del corazón. Más tarde, en 1958, se agregó una batería como fuente de alimentación, lo que hizo que el marcapasos fuera realmente portátil, lo que permitió a los pacientes moverse. Esto también permitió a los pacientes usar el marcapasos continuamente en lugar de solo para emergencias. El marcapasos de Lillehei era externo. William Chardack y Wilson Greatbatch inventaron el primer marcapasos implantable. Fue implantado en un paciente vivo en 1960.

Seymour Furman desarrolló la técnica moderna para colocar un marcapasos en el corazón de un paciente. En lugar de abrir la cavidad torácica, utilizó un método para insertar los cables en una vena y enroscarlos en los ventrículos. Con los cables dentro del corazón, se necesitaban voltajes aún más bajos para regular los latidos del corazón. Esto aumentó la cantidad de tiempo que un marcapasos podría estar dentro de una persona. Aunque su método no se usó ampliamente al principio, a fines de la década de 1960 la mayoría de los especialistas cardíacos se habían cambiado a los marcapasos endocárdicos de Furman. Desde entonces, se han realizado mejoras en su diseño, incluidos dispositivos marcapasos más pequeños, baterías de mayor duración y controles de computadora.

Materias primas

Los materiales utilizados para construir marcapasos deben ser farmacológicamente inertes, no tóxicos, esterilizables y capaces de funcionar en las condiciones ambientales del cuerpo. Las diversas partes del marcapasos, incluida la carcasa, la microelectrónica y los cables, están fabricadas con materiales biocompatibles. Normalmente, la carcasa está hecha de titanio o una aleación de titanio. El plomo también está hecho de una aleación de metal, pero está aislado por un polímero como el poliuretano. Solo queda expuesta la punta de metal del cable. Los circuitos suelen estar hechos de semiconductores de silicio modificados.

Diseño

Hay muchos tipos de marcapasos disponibles. La Sociedad Norteamericana de Estimulación y Electrofisiología (NASPE, por sus siglas en inglés) los ha clasificado según qué cámara del corazón se estimula, qué cámara se detecta, cómo responde el marcapasos a un latido detectado y si es programable. A pesar de esta amplia gama de modelos, todos los marcapasos se componen esencialmente de una batería, cables conductores y circuitos.

La función principal de la batería de un marcapasos es almacenar suficiente energía para estimular el corazón con una descarga eléctrica. Además, también proporciona energía a los sensores y dispositivos de sincronización. Dado que estas baterías se implantan en el cuerpo, están diseñadas para cumplir características específicas. Primero, deben poder generar unos cinco voltios de potencia, un nivel ligeramente superior a la cantidad necesaria para estimular el corazón. En segundo lugar, deben conservar su poder durante muchos años. El plazo mínimo es de cuatro años. En tercer lugar, deben tener un ciclo de vida predecible que permita al médico saber cuándo se requiere un reemplazo. Finalmente, deben poder funcionar cuando estén sellados herméticamente (herméticamente). Las baterías tienen dos metales que forman el ánodo y el cátodo. Estos son los componentes de la batería a través de los cuales se transfiere la carga. Algunos ejemplos incluyen litio / yoduro, cadmio / óxido de níquel y baterías nucleares.

Los cables del marcapasos son cables delgados y aislados que están diseñados para transportar electricidad entre la batería y el corazón. Dependiendo del tipo de marcapasos, contendrá un solo cable, para marcapasos monocamerales, o dos cables, para marcapasos bicamerales. Con el latido constante del corazón, estos alambres se flexionan de forma crónica y deben ser resistentes a la fractura. Hay muchos estilos de cables disponibles, con diferencias de diseño principales que se encuentran en el extremo expuesto. Muchos de los cables tienen una punta atornillada, lo que ayuda a anclarlos a la pared interna del corazón.

El circuito es el centro de control del marcapasos. Aquí se encuentran los sensores de monitoreo cardíaco, reguladores de voltaje, circuitos de tiempo, y controles programables externamente. El circuito se compone principalmente de resistencias, condensadores, diodos y semiconductores. Los circuitos de marcapasos modernos son una gran mejora con respecto a los modelos anteriores. Con la aplicación de semiconductores, las placas de circuitos se han vuelto mucho más pequeñas. También requieren menos energía, producen menos calor y son altamente confiables.

El
proceso de fabricación

Los marcapasos son dispositivos electrónicos sofisticados. Por lo tanto, algunos fabricantes confían en proveedores externos para proporcionar muchos de los componentes. La construcción de un marcapasos no es un proceso lineal sino integrado. Los componentes como la batería, los cables y los circuitos se construyen individualmente y luego se ensamblan para formar el producto final.

Fabricación de la batería

• 1 El tipo principal de batería que se usa en los marcapasos es una celda de litio / yodo. Un método utilizado por los fabricantes para fabricar estas baterías consiste en mezclar primero el yodo y un polímero como la poli2-vinilpiridina (PVP). Se calientan juntos, formando un complejo de transferencia de carga fundido. Luego, este líquido se vierte en una celda preformada en forma de media luna que contiene los otros componentes de la batería, incluido el ánodo de litio (carga positiva) y una pantalla colectora de cátodo. La mezcla de yodo / polímero solidifica a medida que se enfría para formar el cátodo. Una vez formado el cátodo, la batería se sella herméticamente para evitar que entre humedad.

Hacer los clientes potenciales

• 2 Los cables se componen típicamente de una aleación de metal. El alambre se fabrica mediante un proceso de extrusión en el que el metal se calienta hasta que se funde y luego se empuja a través de una abertura de tamaño apropiado. Se corta, luego se ata con muchos otros alambres y se trata con un aislante polimérico como el poliuretano. Un extremo de los cables conductores tiene una punta con forma y el otro está equipado con un conector de marcapasos.

Fabricación de la placa base

• 3 La placa base contiene todos los circuitos eléctricos del marcapasos, incluidos los chips semiconductores, resistencias, condensadores y otros dispositivos. Usando un método complejo conocido como hibridación, estos componentes se combinan para formar un solo circuito complejo. La construcción comienza con un tablero pequeño (menos de 0.32 pulgadas cuadradas [2 cm cuadrados]) que tiene la configuración electrónica mapeada. Los componentes apropiados se colocan en su lugar en la placa. Luego se fijan utilizando un número mínimo de soldaduras.

Montaje final y embalaje

• 4 Cuando todos los componentes están disponibles, se lleva a cabo el ensamblaje final. El circuito está conectado a la batería y ambos se insertan en la carcasa de metal. La carcasa utilizada para un marcapasos se forma típicamente con titanio o una aleación de titanio. Está construido en varias piezas que se sellan juntas después de que se introducen los otros componentes del marcapasos. También se fija un accesorio a la carcasa, que proporciona un punto de conexión para los cables.
• 5 Los dispositivos terminados se colocan en el embalaje final junto con los accesorios. Después de ser probados exhaustivamente, se envían a los distribuidores y finalmente a los médicos.

Control de calidad

La calidad de cada marcapasos se garantiza mediante la realización de inspecciones visuales y eléctricas durante todo el proceso de producción. Estas pruebas detectarán la mayoría de los defectos. Dado que las baterías deben ser absolutamente fiables, se fabrican especialmente y se prueban exhaustivamente, lo que aumenta enormemente los costes asociados. La funcionalidad de cada marcapasos terminado también se prueba antes de enviarlo a la venta. Muchas de estas pruebas se realizan en condiciones ambientales variables, como humedad excesiva y estrés.

Los fabricantes establecen sus propios estándares de calidad para los marcapasos que producen. Sin embargo, varias organizaciones médicas y agencias gubernamentales exigen estándares y recomendaciones de desempeño. En los Estados Unidos, los marcapasos se clasifican como dispositivos biomédicos de Clase III, lo que significa que requieren la aprobación previa a la comercialización de la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA).

El futuro

Con el creciente número de personas de la tercera edad en los Estados Unidos, se prevé que un mayor porcentaje de la población necesitará marcapasos. A medida que continúan los esfuerzos de investigación, los dispositivos futuros prometen ser más duraderos, más confiables y más versátiles. Los avances en la tecnología de las baterías, como el uso de isótopos radiactivos para generar energía, sin duda mejorarán la longevidad de los marcapasos implantados. Los avances en microelectrónica deberían proporcionar dispositivos aún más pequeños que sean menos propensos a las interferencias ambientales. Un avance reciente en el campo es la aplicación de la tecnología de marcapasos cardíaco al cerebro. En este sistema, los científicos conectan los cables conductores a un sitio específico del cerebro y lo estimulan según sea necesario para regular los latidos del corazón. Se ha demostrado que este dispositivo es particularmente eficaz para calmar los temblores asociados con la enfermedad de Parkinson.