MARCAPASOS, ELECTIVA I 1

Diseo de un marcapasos.Pal Esteban Vintimilla Tapia.

Esteban Mauricio Huillcatanda Sacasiri.

Universidad Politcnica Salesiana Sede Cuenca

ResumenEn el siguiente documento se detallar el informecorrespondiente al desarrollo de un marcapasos mediante el usode LabVIEW y arduino. Bsicamente se trat de emular elcomportamiento de un marcapasos de tipo dual, es decir, queestimula tanto al ventrculo como a la aurcula, y se lo hizo conla opcin de poder fijar el nmero de latidos por minuto quese van requerir, enfocndonos en un criterio ms apegado a larealidad.

Index Termsarduino, ingeniera biomdica, marcapasos,LabVIEW, ritmo cardiaco.

I. OBJETIVOS

I-A. Objetivo General

Simular el comportamiento de un marcapasos, ante el parodel ritmo cardiaco, mediante la implementacin de circuitoelectrnico.

I-B. Objetivos Especficos

1. Entender el funcionamiento de un marcapasos de formaterica para poder simular su comportamiento.

2. Buscar la forma ms ptima con los recursos adecuadospara poder simular el marcapasos de la forma ms realposible.

3. Implementar la simulacin diseada y comprobar sucorrecto funcionamiento.

II. INTRODUCCIN

El corazn esta previsto de un sistema elctrico que lomantiene latiendo a un ritmo adecuado segn las necesidadesque se presenten, este sistema puede resumirse en impulsoselctricos que son generados en el msculo cardiaco, o miocar-dio. Estos impulsos estimulan las contracciones o latidos delcorazn y se generan en el ndulo sinusal o sinoauricular quese encuentra ubicado en la parte superior del corazn, sobre laaurcula derecha. El ndulo sinusal es tambin conocido comoel marcapasos natural del corazn. [1][2]

Una vez que el ndulo sinusal emiten un impulso elctrico,provoca la contraccin de las aurculas del corazn, luego di-chos estmulos viajan por el ndulo auriculoventricular el cuallos detiene brevemente para en una instancia final enviarlos alos ventrculos y provocar su contraccin.[1]

Los impulsos generados se envan a una frecuencia espec-fica, la cual depende de varios factores como las exigencias

Pal Esteban Vintimilla Tapia, Estudiante de la carrera de IngenieraElectrnica y Telecomunicaciones de la Universidad Politcnica SalesianaSede Cuenca, e-mail: pvintimillat@est.ups.edu.ec.

Esteban Mauricio Huillcatanda Sacasiri, Estudiante de la carrera de Ingenie-ra Electrnica y Sistemas Industriales de la Universidad Politcnica SalesianaSede Cuenca, e-mail: ehuillcatanda@est.ups.edu.ec.

fsicas que se presenten, el nivel de estrs en el que seencuentre la persona, o cambios en factores hormonales.Algunos de los problemas del corazn son causados por el malfuncionamiento del ndulo sinusal, ya que ocasiona latidosdemasiado lentos o demasiado rpidos, es decir, el coraznlate de una forma irregular; otros problemas se presentan porel bloqueo de las vas de conduccin elctrica del corazn, loque ocasionara tambin, un ritmo cardiaco irregular.[1][2]

Debido a lo explicado anteriormente, se busc encontraruna forma de estimular al corazn de forma permanentecuando el mismo falle a causa de problemas en el estmuloelctrico del mismo, encontrando como una solucin definitivala implantacin de un marcapasos artificial en el individuo.[3]

En la Figura 1., se puede observar como se encuentraconformado el corazn.

Figure 1. Estructura del corazn.[1]

III. FUNDAMENTO TERICO

Desde el inicio de su estudio, se ha considerado al corazncomo un rgano sumamente impresionante, tanto desde elpunto de vista mdico como cientfico, considerndo al mismocomo un sistema sumamente complejo formando por varioscomponentes que interactan entre s, propenso a cambios porinfluencias externas, es decir, el corazn debe adapatarse a lasexigencias que se le presenten debido tanto a condiciones delmedio ambiente o exigencias propias de diferentes rganos.[4]

Aunque parezca que los latidos corazn sean regulares,esto no es verdad ya que, incluso en un estado de reposoel corazn se encuentra regulando los mismos, entonces unacaracterstica de un individuo sano es un ritmo cardiaco

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variable. El estudio de ha sido algo que ha levantado el intersde varios investigadores.[4]

III-A. Series R-R

Existen varias forma de medir los latidos del coraznsiendo la ms utilizada el electrocardiograma, el cual midelas corrientes elctricas del corazn cuando se produce cadalatido. Se llaman series R-R, debido a que son los picos deonda ms altos que se producen, esto se puede observar en laFigura 2., y se puede notar que aunque parezca que la serie esalgo regular y periodico mantiendo un margen relativamenteestrecho de tiempos, es algo sumamente irregular. En estasseries se puede evidenciar el ritmo normal del corazn, eltiempo de polarizacin de aurculas, ventriculas y de relaja-cin, considerndose cualquier anomala de las mismas comouna condicin mdica llamada arritmia.

Figure 2. Series R-R.[4]

III-B. ArritmiaSe conoce como arritmia a una condicin mdica en la cul

existe una alteracin en el ritmo sinusal del corazn, el cul,en un adulto mayor debe tener una frecuencia de 60 a 100latidos por minuto, adems, las aurculas deben despolarizarsesiempre antes que los ventrculos.[5]

III-B1. Origen de las arritmias:Alteraciones del automatismo: El automatismo de ndulosinusal puede aumentar o disminuir, conocindose alaumento como taquicardia y a la disminucin comobradicardia.[5]Alteraciones de la transmisin del estmulo: Se conocecomo alteraciones de la transmisin del estmulo a blo-queos presentes en el tejido perisinusal o en el nduloaurculo ventricular.[5]Alteraciones mixtas: Alteraciones en las cules est in-volucrado el automatismo de ndulo sinusal y la trans-misin del estmulo.[5]

III-B2. Manifestaciones de las arritmias: Una arritmiapuede presentar varios sntomas, hasta llegar a causar lamuerte. [5] Entre los sntomas ms comunes se tiene lossiguientes:

Palpitaciones, sensacin de rpido golpeteo en el pecho,y a veces, sensacin de latidos rpidos en la zona delcuello.[5]

Disnea, sensacin de falta de aire que, a veces, puedeestar acompaada por un malestar general.[5]Insuficiencia cardiaca, es decir, fallo cardiaco.[5]Angina de pecho, ocasionada por el alto consumo deoxgeno del miocardio.[5]Sncope, es decir, prdida de consciencia.[5]Parada cardiorrespiratoria, puede causar la muerte.[5]

III-B3. Causas de las arritmias:

Arritmias en ausencia de cardiopata: Pueden ser cau-sadas por la ingestin de antidepresivos y otros medi-camentos, alteraciones de tipo electroltico, ingesta desustancias excitantes, consumo de tabaco, estrs.[5]Arritmias en presencia de cardiopata: Pueden ser cau-sadas por un prolapso mitral, valvulopatas, cardiopatasislmicas, por lo que, a veces, se recogen antencedentesde muerte sbita familiar.[5]

III-B4. Terapia: Como se mencion anteriormente, exis-ten dos tipos de arritmias, la taquicardia causada por unaumento del ritmo cardiaco, y la bradicardia causada por unadisminucin del ritmo cardiaco.

1. Taquicardia.[5]

a) Maniobras vagales.b) Frmacos.c) Cardioversin.d) Desfibrilacin.e) Ciruga.

2. Bradicardia.[5]

a) Frmacos.b) Marcapasos.

III-C. Marcapasos

Un marcapasos es un dispositivo pequeo que se encarga demonitorear la actividad del corazn, es decir, el ritmo cardiaco,generando impulsos elctricos cuando el ndulo sinusal delcorazn no lo hace. El funcionamiento de un marcapasoses similar a un circuito elctrico simple, ya que, la bateraprovee electricidad que viajar a travs de los electrodos delmismo hasta el miocardio en donde provocar una contraccincardiaca o latido, y de ah regresar a la batera, para cerrarel circuito, por medio de los mismos electrodos o por lostejidos del paciente.[6] Un marcapasos est constituido pordos elementos bsicamente. En la Figura 3., se puede observarun marcapaso colocado en el cuerpo humano.

MARCAPASOS, ELECTIVA I 3

Figure 3. Marcapasos en el cuerpo humano.[1]

1. Fuente o generador de pulsos. Es un pequeo aparatode titanio que alberga una bateria de yoduro de litio,cuya duracin promedio es de 5 a 10 aos. Contienetambin el circuito elctrico que controla la frecuenciade generacin de los pulsos elctricos generados.[6]

2. Electrodo. Conduce la electricidad o impulso elctricodesde la fuente hasta el corazn, adems, obtienen infor-macin cardiaca y la llevan a la fuente para su proceso.Los electrodos estn aislados del cuerpo con silicno poliuretano y solamente tienen su punto metlicaexpuesta. Existen varios tipos, entre ellos los electro-dos endocrdicos, epicrdicos, auriculares, ventriculares,unipolars y bipolares.[6]

III-D. Tipos de marcapasos

III-D1. Marcapaso unicameral.: Este tipo de marcapasosconsta de un slo electrodo el cul se coloca en una nicacmara, ya sea la aurcula o el ventrculo, derechos general-mente. [1][6]

III-D2. Marcapaso bicameral: Este tipo de marcapasosconsta de dos electrodos los cuales se colocan tanto en laaurcula como en el ventrculo. De esta forma se puede sensaro estimular cualquiera de las dos cmaras cardiacas y de estaforma coordinar totalmente la contraccin de las aurculasy luego la de los ventrculos, mejorando la eficiencia delcorazn.[1][6] En la Figura 4., se puede observar los dos tiposde marcapasos mencionados anteriormente.

Figure 4. Tipos de marcapasos.[1]

IV. EQUIPOS Y/O HERRAMIENTAS UTILIZADAS

NI LabVIEW 2013.Arduino Uno R3.Diodos LED.

V. DESARROLLO/PROCEDIMIENTOSSabiendo el funcionamiento de un marcapasos, se procedi

a simular un marcapasos bicameral debido a que es ms utili-zado en el mercado, aunque la aplicacin desarrollada podraser modificada para representar un marcapasos unicameral. Loque se hizo bsicamente es detectar cuando la seal cardiaca sedetiene, es decir, existe un paro cardiaco, cuando la frecuenciade los latidos baja por debajo de los 50 latidos por minuto, yuna opcin para que entre en modo automtico, es decir, queel usuario active su marcapasos cuando requiera hacer algoque exija su esfuerzo, como una actividad fsica.

Con estas condiciones se program en LabVIEW, y seobtuvieron el Front Panel que se observa en la Figura 5. Con laayuda de arduino, se utiliz un Arduino R3., el cual permiteimplementar los estmulos generados en la vida real. Cabemencionar que el desfase entre la seal que estimula a laauricula y al ventrculo es de 0.16s, segn las especificacionesdadas en clase.

Figure 5. Panel Frontal del simulador de marcapasos.

VI. RESULTADOSLos resultados obtenidos con este desarrollo se presentarn

a continuacin.

MARCAPASOS, ELECTIVA I 4

VI-A. Cuando el sistema funciona normalmente

Figure 6. Funcionamiento normal.

VI-B. Paro cardaco, marcapasos en 60 latidos por minuto

Figure 7. Paro cardaco, marcapasos a 60 latidos por minuto.

VI-C. Paro cardaco, marcapasos en 60 latidos por minuto

Figure 8. Paro cardaco, marcapasos a 60 latidos por minuto.

VII. CONCLUSIONES

Con el desarrollo de esta prctica se pudo conocer algo tansimple e importante como lo es un marcapasos. Resulta suma-mente curioso el ingenio del hombre para crear un dispositivotan sencillo y a la vez tan complejo que ayuda a salvar millonesde vidas, ya que, con un par de cables conectados al corazn,un frecuencmetro y una batera, se puede corregir cualquieranomala en el ritmo cardiaco, es decir, cualquier arritmia. Co-mo futuros ingenieros, tener la capacidad o la destreza simular

un dispositivo como el mencionado, es algo interesante, cadauno maneja su propio criterio y maneras de ver o actuar antecada situacin, entonces, lo realmente importante es conseguirsimular un marcapasos que cumpla con su funcin de unamanera eficiente, porque estn vidas de por medio. Con laaplicacin creada en labview se pudo obtener estos objetivos,se logr crear algo que pueda generar impulsos cada ciertotiempo, simulando el comportamiento de un marcapasos, conla opciones de poder fijar una frecuencia de latidos por minutoy la deteccin de un pulso por debajo de los 50 latidos porminuto. Se cumplieron todos los objetivos propuestos, y esinteresante ver como la ingeniera biomdica salva y mejorala calidad de vida de los individuos.

REFERENCIAS[1] Krames: Patient Education. Qu es un marca-

pasos?. [En lnea: 25 de noviembre de 2015].

[2] Texas Heart Institute. Centro de Informacin Cardiovas-cular. Marcapasos. [En lnea: 25 de noviembre de 2015].

[3] Oter R., Montiel J., Roldn T., Bardaj A., Molinero de Miguel E. Guasde prctica clnica de la Sociedad Espaola de Cardiologa en marcapasos.Sociedad Espaola de Cardiologa. Barcelona. San Antonio. Hospital dela Santa Cruz y San Pablo.

[4] Jess Guillermo Contreras. La variacin del ritmo cardiaco. Centro deInvestigacin y de Estudios Avanzados del Instituto Politcnico Nacional.Mxico. Mxico D.F. 2007

[5] Jos Ramn Aguilar Reguero. Portal de Medicina de Emergencias.Alteraciones de la oxigenacin tisular. Arritmias. Espaa. Mlaga.

[6] Arowne C., Villeda A. Marcapasos Cardiacos Permanentes. InstitutoNacional del Trax. Julio-Agosto. 2000

ObjetivosObjetivo GeneralObjetivos Especficos

IntroduccinFundamento tericoSeries R-RArritmiaOrigen de las arritmiasManifestaciones de las arritmiasCausas de las arritmiasTerapia

MarcapasosTipos de marcapasosMarcapaso unicameral.Marcapaso bicameral

Equipos y/o herramientas utilizadasDesarrollo/procedimientosResultadosCuando el sistema funciona normalmenteParo cardaco, marcapasos en 60 latidos por minutoParo cardaco, marcapasos en 60 latidos por minuto

ConclusionesReferencias