Biofísica Mecânica e Eléctrica

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1 Biofísica Mecânica e Eléctrica Aula 9 Licenciatura em Engenharia Biomédica - RAMO II: Electrónica Médica Paulo Mendes /2006 1ºS. Biofísica mecânica e eléctrica 9. 1

2 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 Biofísica mecânica e eléctrica 9. 2

3 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) Potencial de acção neuronal Repolarização: saída de K+ despolarização: entrada de Na+ Potencial de acção cardíaco Repolarização: saída de K mv Na+ Ca++ K+ Biofísica mecânica e eléctrica mv

4 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 Biofísica mecânica e eléctrica 9. 4

5 O coração É uma bomba Tem actividade eléctrica (potenciais de acção) Gera corrente eléctrica que pode ser medida à superfície da pele (ECG - EKG) Biofísica mecânica e eléctrica 9. 5

6 Correntes e Tensões Em repouso V m 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 dentro fora - 0 mv + Biofísica mecânica e eléctrica 9. 6

7 Correntes e Tensões Durante a subida do PA V m não é constante Existe fluxo de corrente Dentro da célula não existe um potencial constante Fora da célula não existe um potencial constante Um potencial de acção que se propaga em direcção ao terminal positivo produz um sinal positivo Região de músculo cardíaco PA dentro Biofísica mecânica e eléctrica 9. 7 fora corrente Algum potencial positivo

8 Mais correntes e tensões Região de músculo cardíaco dentro Um potencial de acção que se afasta do terminal positivo produz um sinal negativo fora corrente - + Leitura de potencial negativo Biofísica mecânica e eléctrica 9. 8

9 Mais correntes e tensões Durante a repolarização corrente Região de músculo cardíaco dentro fora Região de músculo cardíaco totalmente despolarizado dentro fora V m não está a mudar Não existe corrente Nem sinal ECG - + Repolarização espalha-se em direcção ao terminal positivo produz uma resposta negativa Algum potencial negativo Biofísica mecânica e eléctrica 9. 9

10 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 Biofísica mecânica e eléctrica 9. 10

11 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. Biofísica mecânica e eléctrica 9. 11

12 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. Biofísica mecânica e eléctrica 9. 12

13 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. Biofísica mecânica e eléctrica 9. 13

14 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. Biofísica mecânica e eléctrica 9. 14

15 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. Biofísica mecânica e eléctrica 9. 15

16 Sistema de Condução Rede de Purkinje Fibras de Purkinje propagação rápida dos potenciais de acção Nódulo SA Pacemaker (marca-passo) do coração Biofísica mecânica e eléctrica 9. 16

17 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. Biofísica mecânica e eléctrica 9. 17

18 Fluxo da actividade eléctrica cardíaca Nódulo SA músculo auricular Fibras condutoras internós músculo auricular Nódulo AV (lento) Sistema condutor de Purkinje músculo ventricular Biofísica mecânica e eléctrica 9. 18

19 Condução no coração s approx s Superior vena cava SA node Atria AV node Purkinje Ventricle Pulmonary veins SA node Atrial muscle Specialized conducting tissue Tricuspid valve Ventricluar muscle Inferior vena cava AV node Left atrium Mitral valve Purkinje fibers Descending aorta Biofísica mecânica e eléctrica 9. 19

20 Potenciais de acção no coração s approx s ECG PR QT Superior vena cava Aortic artery SA SA node Pulmonary veins Pulmonary artery AV node Left atrium Atria AV Atrial muscle Specialized conducting tissue Mitral valve Interventricular septum Purkinje Ventricle Tricuspid valve Ventricluar muscle Inferior vena cava Purkinje fibers Descending aorta Biofísica mecânica e eléctrica 9. 20

21 Início do ciclo da ECG Biofísica mecânica e eléctrica 9. 21

22 Início da onda P Biofísica mecânica e eléctrica 9. 22

23 No final da onda P Biofísica mecânica e eléctrica 9. 23

24 No início da onda QRS Biofísica mecânica e eléctrica 9. 24

25 No final da onda QRS Biofísica mecânica e eléctrica 9. 25

26 Segmento S-T Biofísica mecânica e eléctrica 9. 26

27 Início da onda T Biofísica mecânica e eléctrica 9. 27

28 No final da onda T Biofísica mecânica e eléctrica 9. 28

29 De volta ao início Biofísica mecânica e eléctrica 9. 29

30 Comportamento eléctrico do coração Sistema de condução Origem no sinoauricular: pacemaker Condução aurículoventricular ECG Completa Problemas no pacemaker, condução, canais iónicos Biofísica mecânica e eléctrica 9. 30

31 Electrocardiograma (ECG) Vector cardíaco - tem amplitude e direcção => Dipolo ( vector eléctrico com amplitude e direcção para a fonte) + - 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 Biofísica mecânica e eléctrica 9. 31

32 Modelo Dipolo Dipolo representa a actividade cardíaca do coração Mudanças na amplitude e orientação do dipolo provocam mudanças detectáveis no campo eléctrico Biofísica mecânica e eléctrica 9. 32

33 Álgebra Vectorial Produto escalar de vectores, onde v a1 é uma tensão escalar: v a 1 = M a1 = M cosθ Quando o vector é perpendicular a M, v a1 é zero Biofísica mecânica e eléctrica 9. 33

34 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 Biofísica mecânica e eléctrica 9. 34

35 Colocação dos eléctrodos Biofísica mecânica e eléctrica 9. 35

36 Sistema aumentado Biofísica mecânica e eléctrica 9. 36

37 ECG no plano transversal São utilizados eléctrodos no peito para obter a ECG no plano transversal Obtém ECG do lado posterior do coração Biofísica mecânica e eléctrica 9. 37

38 ECG no plano transversal Biofísica mecânica e eléctrica 9. 38

39 A ECG Normal Braço direito Lead II s approx s PR QT Perna esquerda R Despolarização do músculo auricular P Q S Despolarização do músculo ventricular T repolarização do músculo ventricular Biofísica mecânica e eléctrica 9. 39

40 Frequências dos biopotenciais ECG Biopotencial Gama de frequências (Hz) Gama de amplitudes (mv) EEG EOG EMG Biofísica mecânica e eléctrica 9. 40

41 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) Biofísica mecânica e eléctrica 9. 41

42 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 Biofísica mecânica e eléctrica 9. 42

43 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 battery would last more than 20 years Biofísica mecânica e eléctrica 9. 43

44 Pacemaker: Circuito de saída Biofísica mecânica e eléctrica 9. 44

45 Pacemaker: Sinal de saída Biofísica mecânica e eléctrica 9. 45

46 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 Biofísica mecânica e eléctrica 9. 46

47 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 Os ritmos cardíacos normais evitam a estimulação pelo pacemaker Timing Circuit Reset Circuit Output Circuit Amp Electrodes Biofísica mecânica e eléctrica 9. 47

48 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 Atrial Electrode Amp Monostable Multivibrator 500ms Delay Output Circuit Ventricular Electrode Gate Monostable Multivibrator 120ms Delay Monostable Multivibrator 2ms Delay Biofísica mecânica e eléctrica 9. 48

49 Dimensões e forma típica de um pacemaker implantável A parte de cima é utilizada para interface com as ligações Exemplo Comercial Tirado de Biofísica mecânica e eléctrica 9. 49

50 Arritmias: Fibrilação Ventricular Choque Pressão sanguínea cai para zero sem saída cardíaca e é necessário desfibrilar 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) Biofísica mecânica e eléctrica 9. 50

51 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 Biofísica mecânica e eléctrica 9. 51

52 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 Biofísica mecânica e eléctrica 9. 52

53 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 Biofísica mecânica e eléctrica 9. 53

54 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: Cv E = 2 2 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 Biofísica mecânica e eléctrica 9. 54

55 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 Biofísica mecânica e eléctrica 9. 55

56 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 Biofísica mecânica e eléctrica 9. 56

57 Desfibrilador : Eléctrodos Biofísica mecânica e eléctrica 9. 57

58 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 Biofísica mecânica e eléctrica 9. 58

59 Desfibriladores implantáveis automáticos Biofísica mecânica e eléctrica 9. 59

60 Exemplos Comerciaais Tirado de Tirado de Biofísica mecânica e eléctrica 9. 60