Biofísica Mecânica e Eléctrica

Biofísicamecânica e eléctrica – 9. 1

Aula 9

Licenciatura em Engenharia Biomédica

- RAMO II: Electrónica Médica

Paulo Mendes

http://dei-s1.dei.uminho.pt/pessoas/pmendes

2005/2006 1ºS.

Biofísica Mecânica e Eléctrica


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• Dispositivos que utilizam o sinal 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: saída de K+


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 quepode ser medida à superfícieda 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

++++------------------------------++++++++++++++


fora

dentro

Algum potencialpositivo

+-

corrente

PA

Um potencial de acção que se propagaem direcção ao terminal positivo produzum sinal positivo

Correntes e Tensões


Mais correntes e tensões


fora

corrente

+-

Leitura de potencial negativo

------++++++++++++++

dentro

++++------------------------Um potencial de acção que se afastado terminal positivo produzum sinal negativo


Mais correntes e tensões

corrente

-------------------------------

Região de músculo cardíacototalmente despolarizado

fora

dentro

+++++++++++++++++++

Vm não está a mudarNão existe correnteNem sinal ECG

+++++++-------------------


fora

dentro

------------+++++++++++

Durante a repolarização

+-Algum potencial negativo

Repolarização espalha-se em direcção ao terminal positivoproduz 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

• A posição e orientação dos eléctrodos de registo


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 nodo atrioventricular (AV).

• Nodo AV: Onde o impulso é retardado 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 na parede 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 qualquer potencial 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 os ventrículos 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 ConduçãoImpulso 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 Purkinjepropagação rápida dos potenciais de acção

Nódulo SA

Pacemaker (marca-passo) do coração


Potenciais de acção

• Potencial de acção → fase rápida de despolarização →parcial repolarização → planalto →fase rápida de repolarização

• Despolarização → abertura dos canais de sódio → iões sódio difundem-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 condutorde Purkinje

músculo ventricular

Fibras condutoras internós

músculo auricular


Condução no coração

0.12-0.2 s approx. 0.44 s

SA

AtriaAtrial muscleSA node Left atrium

Descending aortaInferiorvena cava

Ventricluar

Pulmonaryveins

Superiorvena cava

Tricuspid valve

Mitral valve

AV node

Purkinjefibers

muscle

Specializedconducting

tissue

Purkinje

Ventricle

node

nodeAV


Potenciais de acção no coração

AV

Purkinje

Ventricle

Aortic artery

Left atrium

Descending aortaInferiorvena cava

Ventricluar

Atrial muscle

Pulmonaryveins

Superiorvena cava

Pulmonary artery

Tricuspid valve

Mitral valve

Interventricularseptum

AV node

SA node

ECGQTPR

0.12-0.2 s approx. 0.44 s

SA

Atria

Purkinjefibers

muscle

Specializedconducting

tissue


Início do ciclo da ECG


Início da onda P


No final da onda P


No início da onda QRS


No final da onda QRS


Segmento S-T


Início da onda T


No final da onda T


De volta ao início


Comportamento eléctrico do coração

• Sistema de condução

• Origem no sino-auricular: pacemaker

• Condução aurículo-ventricular

• ECG Completa• Problemas no

pacemaker, condução, canais iónicos


Electrocardiograma (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 dipolo

provocam mudanças detectáveis no campo eléctrico


Álgebra Vectorial

• Produto escalar de vectores, onde va1 é uma tensão escalar:

• Quando o vector é perpendicular a M, va1 é zeroθcos11 MaM =⋅=av


Triângulo de Einthoven

• São utilizados três vectores par identificar completamente a actividade eléctrica• Vectores mostrados no

plano frontal do corpo

• É utilizada a lei de Kirchhoff para os três leads

I – II + III = 0


Colocação dos eléctrodos


Sistema aumentado


ECG no plano transversal

• São utilizados eléctrodos no peito para obter a ECG no plano transversal

• Obtém ECG do lado posterior do coração


ECG no plano transversal


A ECG Normal

P

Q

R

S

T

Braço direito

Perna esquerda

QTPR

0.12-0.2 s approx. 0.44 s

Despolarização do músculoauricular

Despolarização do músculoventricular

repolarização do músculoventricular

“Lead II”


Frequências dos biopotenciais

0.01 – 10050 – 3000EMG

0.001 – 0.30.01 – 10EOG

0.001 – 10.1 – 80EEG

0.05 – 30.01 – 100ECG

Gama de amplitudes (mV)

Gama de frequências (Hz)

Biopotencial


Pacemakers 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 uma estimulação correcta i.e. (arritmias)


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

PowerSupply

Oscillator

PulseOutputCircuit

LeadWires

Electrodes


Pacemaker: Circuito de saída

• Output circuit produces the electrical stimuli to be appliedto 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 battery would last more than 20 years


Pacemaker: Circuito de saída


Pacemaker: Sinal de saída


Pacemakers 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 sincronizados pela aurícula


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

TimingCircuit

OutputCircuit

Electrodes

ResetCircuit

Amp

• Os ritmos cardíacos normais evitam a estimulação pelo pacemaker


Pacemaker síncrono - auricular• O disparo do nodo SA activa o

pacemaker

• São utilizados atrasos para simular 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 esta arquitectura permite obter um dispositivo que controla a actividade cardíaca ao ritmo normal do nodo SA

AtrialElectrode

GateAmp

MonostableMultivibrator120ms Delay



OutputCircuit

VentricularElectrode


Exemplo Comercial

• Dimensões e forma típica de um pacemaker implantável

• A parte de cima é utilizada para interface com as ligações

Tirado de www.medtronic.com


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

Choque


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• Desfibrilador de onda quadrada


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 condensador carregando num botão quando os eléctrodos estão firmemente no sitio

• Uma vez completo, o interruptor regressa automaticamente à posição original


Desfibrilador : 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 teoricamente

2

2CvE =


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 aos monofásicos


Desfibrilador : 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


Desfibrilador : Eléctrodos


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

• É necessário aramazenar energia para fornecer um estímulo de 5 a 30 Joules


Desfibriladores implantáveis automáticos


Exemplos Comerciaais

Tirado de www.guidant.com Tirado de www.medtronic.com

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