DEFIBRILLAZIONE CARDIACA

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1 DEFBRLLAZONE CARDACA NTRODUZONE n quest captl analzzerem l us della stmlazne cardaca fnalzzata all arrest delle artme che pssn nsrgere nel funznament del cure. n partclare fcalzzerem la nstra attenzne sulla defbrllazne che essenzalmente cnsste sull applcazne d shck elettrc ad alta energa cn l bettv d prre fne alla fbrllazne, che è altrment letale. L applcazne d prncp bfsc e l us d mdell per la smulazne, n quest ambt è mlt lmtat pché meccansm della fbrllazne e della defbrllazne sn tuttra ancra nn cmpletamente cmpres. MECCANSM D FBRLLAZONE: REENTRY La causa che prncpalmente è alla base d mlte artme cardache è l affezne delle artere crnare che può prtare alla frmazne d placche artersclertche cn cnseguente cclusne de vas e nsrgenza d schema e nfart del tessut cardac. Le prpretà elettrfslgche dell schema e del tessut nfartuat csttuscn le cndzn per l verfcars del fenmen del reentry ( rentr ) cardac che rappresenta l meccansm d base medante cu s verfca la fbrllazne. l reentry n un anell d tessut cardac è stat studat per la prma vlta da Mnes nel 1913, le cu sservazn sn tuttra ancra valde. n fg.1a un stml n un sngl punt all ntern dell anell cardac dà lug alla prpagazne d due nde n drezn ppste lung l anell. Queste due nde d attvazne, essend l tessut cardac mgene, vaggan alla stessa velctà; pertant dp un temp pprtun s ncntran dalla parte dametralmente ppsta al punt d stmlazne nell anell d tessut cardac clldend. Pché al mment della cllsne le regn d tessut cnfnant s trvan nel perd refrattar asslut, entramb frnt d nda sn blccat nella lr prpagazne e l ecctazne ha fne (salv p rcmncare a segut d un nuv mpuls d stmlazne). n quest cas nn v è rentr e cò rflette l cmprtament cardac nrmale. n fg.1b l area dell anell tratteggata rappresenta un blcc per la prpagazne dell nda n sens rar (ad esemp l blcc ptrebbe nsrgere pché le cellule d questa regne sn ancra nel perd refrattar). Pertant la prpagazne ha lug sl n sens antrar; quand questa gunge nella regne del blcc, se l perd refrattar ha avut termne, può prsegure nel su percrs rprtands al punt d partenza e dand nz ad un secnd ccl d prpagazne. La prpagazne crclare n sens antrar d quest nda può ra cntnuare per perd successv: quest è quant s ntende per reentry. Le cndzn affnché s abba l reentry, suggerte dall sservazne d fg.1, sn le seguent: 1. la presenza d una regne che funge da blcc undreznale; 1

2 2. un percrs per la prpagazne alternatv a quell blccat (quell antrar n fg.1b); 3. l temp d prpagazne lung l percrs alternatv deve essere pù lung del perd refrattar delle cellule della regne del blcc undreznale (altrment anche l nda che s prpaga lung l percrs alternatv mure a lvell della regne d blcc). fg.1: Rappresentazne d una cndzne che prta al reentry; (A) Nel tessut nrmale la cllsne e l annchlment prevengn l nsrgere del reentry; (B) L area tratteggata rappresenta un blcc undreznale che faclta la prpagazne n sens antrar. Nella nrmale attvazne del cure la prpagazne cessa quand la cnduzne arrva alla perfera del mcard; a quest punt nn c è nessuna parte d tessut cardac che nn rtrv n un stat refrattar; quand l successv mpuls parte dal nd SA, allra l nter cure è n una cndzne d rps e l prcess che s nstaura nn è altr che una rpetzne del precedente. l sgnfcat dell nsrgere d un fenmen d reentry, nvece, mplca che l nrmale pacng cardac, che ha nz nel nd SA, vene bypassat. Se, cme usualmente succede, l ccl d attvazne è mlt rapd, l cure vene gudat ad una frequenza maggre e s ha l nz della tachcarda Nell esemp d fg.1 l blcc undreznale è descrtt cme dvut ad una dsmgenetà del perd refrattar. Tuttava c pssn essere altre cause che pssn prtare ad una regne d blcc, qual l anstrpa del tessut cardac (ad esemp la resstenza assale è mnre d quella trasversale rspett alla drezne delle fbre e cò prta ad una anstrpa della velctà). l fenmen del reentry può però verfcars anche n assenza d un stacl, cme s può capre dall esame della fg.2. 2

3 fg.2: Mappa della dstrbuzne dell attvazne durante l nz della tachcarda ndtta da un stml prematur nel atr d un cure slat d cngl; (A) Battt base; (B) Battt prematur susctat seguend un rtard d 56 ms; (C) Prm ccl d tachcarda (le dppe barre ndcan l st del blcc della cnduzne); (D) Durata del perd refrattar ad gn st. Un stml prematur è applcat n pszne centrale (ndcata n fgura cn l punt ner) dp un temp d rtard d 56 ms. Cme s può ntare dalla fg.2b l stml s prpaga a snstra, dve l tessut ha recuperat la cndzne d rps, mentre è blccat a destra dve l perd refrattar nn è ancra termnat; la prpagazne, però, rtrna n questa regne cn un cert rtard e l blcc è ra prnt per l ecctazne. n quest cas s ha nuvamente un crcut d rentr, ma questa vlta nn dvut ad un stacl nn cnduttv, ma semplcemente basat su temp d recuper nn mgene nel tessut stt esame. 3

4 l reentry randm, che prta alla fbrllazne, è caratterzzat da percrs delle nde d prpagazne che camban n cntnuazne per dmensne e psznament; n aggunta dverse frme d nda ndpendent ptrebber essere present smultaneamente ed nteragre le une cn le altre, prtand ad un rtm cardac rreglare e catc. LA DEFBRLLAZONE L bettv base della defbrllazne è quell d nterferre elettrcamente cn crcut d rentr e prtare questa attvtà elettrca alla sua termnazne. Pché crcut d rentr hann lug attravers le paret cardache, l raggungment dell bettv rchede un adeguat camp d stmlazne n tutt punt all ntern del cure, a dfferenza d cò che s ha nel pacemaker, n cu un stml adeguat è rchest n drezne d un specfc st. nltre, un'altra dfferenza tra pacemaker e defbrllazne, è che la prma rchede l applcazne d camp elettrc attravers l cure dell rdne d 1 V/cm (cme vst n precedenza) mentre la secnda rchede camp elettrc dell rdne d 10 V/cm. Esstn tere dfferent, basate su ptes dverse, che cercan d spegare meccansm che svrntendn alla defbrllazne; tuttava esstn de punt d cntatt tra queste tere: l prm è che shck pprtun generan camp elettrc che sn abbastanza varabl; l secnd nvece rguarda l applcazne d un sstema d elettrd per la generazne d un camp elettrc unfrme all ntern del cure all scp d raggungere la defbrllazne. n gn cas l unc md che un shck ha per nfluenzare l cmprtament delle cellule n defbrllazne è quell d ndurre un ptenzale transmembrana che ha cme rsultat la deplarzzazne delle cellule a rps n cndzn d refrattaretà relatva; sebbene s ptrebbe bettare che le cellule n defbrllazne nn s cmprtan cme le cellule n cndzn nrmal, ccrre prestare attenzne al fatt che puttst che la rspsta che s ttene all stml da parte delle cellule prese n md ndvduale, ad essere mprtante è cme l nterazne tra queste cellule vene mdfcata dall applcazne dell mpuls. MODELLO UNDMENSONALE DELL ATTVAZONE/DEFBRLLAZONE Sarebbe nteressante capre qual san gl effett elettrfslgc che dervan dall applcazne d un stml d crrente ad un grupp d cellule cardache n fbrllazne. Quest tp d prblema è però dffcle da mdellare pché nn s pssede un mdell strutturale adeguat che rfletta l nterazne tra le cellule cardache stesse e tra le cellule cardache e l spaz nterstzale. Un mdell mlt semplfcat (e cme vedrem n segut prpr per quest nadeguat) può essere quell che affrnta l prblema rducendl ad un prblema undmensnale n cu la membrana cellulare è cnsderata essere passva ed n cndzn staznare ed l cure csttut da fbre ugual n parallel, sttpste ad una crrente d defbrllazne unfrme applcata che s rpartsce n md uguale tra le fbre stesse. Stt queste ptes pssam analzzare n md equvalente l cmprtament d una sla fbra. 4

5 S cnsder dunque la stuazne spermentale schematzzata n fg.3 (gà applcata n precedenza per una przne d assne stmlata alle estremtà). S cnsder n quest cas che la stuazne raffgurata rappresent la stmlazne d una fbra musclare medante due elettrd estern. Tale stuazne può essere cnsderata cme una estrema semplfcazne del cas d una stmlazne defbrllatra d una fbra musclare. fg.3: dspstv spermentale per la descrzne del mdell undmensnale per la defbrllazne Cme gà descrtt n precedenza, la sluzne della cable equatn per tale cnfgurazne prta alla frmulazne delle due seguent equazn rspettvamente per e : r r csh( x / λ) = a[ ] (1) r + r r + r csh( l / 2λ) r r csh( x / λ) = a[ + ] (2) r + r r + r csh( l / 2λ) Facend l rapprt tra l equazne (1) e l equazne (2) s ttene: (csh( l / 2λ) csh( x / λ)) = r (3) ( r csh( l / 2λ) + r csh( x / λ)) e dvdend numeratre e denmnatre a destra dell equazne per csh(l/2λ) s ha: 5

6 csh( x / λ) (1 ) csh( l / 2λ) = r (3) csh( x / λ) ( r + r ) csh( l / 2λ) Cnsderand che: la lunghezza equvalente d una sngla fbra cardaca è par a crca l = 14 cm, per l tessut cardac la cstante d temp vale crca λ = 650 µm, s ha che la lunghezza equvalente d una fbra cardaca è par a crca l = 215 λ. csh( x / λ) n tal cndzn, s ha che 0 csh( l / 2λ) per (-l/2 + 5λ) < x < (l/2-5λ), da cu: r r = per (-l/2 + 5λ) < x < (l/2-5λ) (4) Rcrdand ra che: dalla (4) s ttene: Φ Φ = r = r (5) (6) Φ Φ = per (-l/2 + 5λ) < x < (l/2-5λ) (7) e dalla defnzne d V m = Φ Φ s ha: V m = 0 Vm( x ) = cst per (-l/2 + 5λ) < x < (l/2-5λ) (8) ssa: V ' = 0 e V ( x ) = per (-l/2 + 5λ) < x < (l/2-5λ) 9) m V rest 6

7 Osservazne: l fatt che V sa apprssmatvamente null nell nter ntervall (-l/2 + 5λ) < x < (l/2-5λ) cncrda cn l espressne rcavata n precedenza per V (x) nella stuazne descrtta n Fg. 3, ssa: V' snh( x / λ ) = ar λ csh( l / 2λ ) (10) nfatt, ad esemp per x = 0 mm s ttene la relazne esatta V (0) = 0 µv. Per x nn null, la relazne è valda cn apprssmazne. L andament qualtatv d V nell ntervall l/2 < x < l/2 è rprtat n fg.4. fg.4: Andament qualtatv d V per l/2 < x < l/2 l rsultat cntenut nella Eq. (9) ha cme effett una cnseguenza fndamentale, n grad d cmprmettere la valdtà del mdell sn qu cnsderat. nfatt, da tale mdell rsulterebbe che la membrana cellulare rmane al su ptenzale d rps per tutt valr d x cnsderat (ssa per (-l/2 + 5λ) < x < (l/2-5λ)); cò sgnfca che, n cnsderazne della lunghezza della fbra (l = 215 λ.), s avrebbe che quas l 95% delle cellule che csttuscn l tessut cardac sarebbe ndfferente all stml d defbrllazne applcat! Tale rsultat nn è vvamente accettable e pertant l mdell cnsderat qu fallsce. L nadeguatezza del mdell dpende nn tant dall aver ptzzat le fbre cardache cme equvalent tra d lr, quant dall avere trascurat le gunzn ntercellular. ntrducend tal gunzn all ntern del mdell (descrtte dalle resstenze R j ), le cellule s cmprtan seguend l crcut elettrc equvalente d fg.5. 7

8 fg.5: Cnnessne delle cellule adacent attravers le gunzn ntercellular schematzzate dalle resstenze R j. n fg.5, pché le cellule mstrate sn replcate n una catena d 1200 cellule ttal a frmare la fbra ttale, la crrente e la tensne devn essere perdche d perdctà par ad una cellula; ad esemp la crrente entrante a snstra deve essere uguale alla crrente uscente da destra pché esse sn tra lr alla dstanza esattamente d una cellula. L effett d una R j d valre fnt è quell d gudare una parte d crrente dentr e fur la cellula (esattamente la stessa quanttà d crrente ntracellulare deve entrare ed uscre dalla cellula), e cò causa delle fluttuazn d crrente asscate cn una V m dversa da zer. nfatt s può vedere cme R j causa una dscntnutà n Φ, prpr uguale alla caduta d ptenzale R j. Pertant gl effett delle resstenze gunznal ntracellular ntrducn delle dscntnutà nell unfrmtà del tessut che fann s che n realtà s abba una V m varable a frnte dell applcazne d un camp elettrc d stmlazne unfrme. Cme ulterre sservazne, s cnsder che anche altre dsunfrmtà stlgche (cme ad esemp la rtazne delle fbre) pssn essere mprtant al fne d cnvertre un camp elettrc unfrme n un ptenzale transmembrana ndtt. STRUMENTAZONE PER DEFBRLLATOR La grande quanttà d energa rchesta per la defbrllazne vene ttenuta ne defbrllatr cnvenznal attravers la carca d una grssa capactà, che vene scarcata su d un crcut RLC. Sltamente le frme d nda utlzzate sn snusdal smrzate e quelle trapezdal. defbrllatr sn tarat per scarcars n un carc resstv d crca 50 Ω. Gl elettrd per la defbrllazne utlzzat hann un dametr che vara nel range d 8 13 cm, nel cas degl elettrd per l applcazne dretta sul cure (attravers ntervent chrurgc) d 4 8 cm. Elettrd cn dametr pù grand sn nvece utlzzat per rdurre valr della denstà d crrente e qund evtare brucature, pur generand camp elettrc unfrm apprprat all ntern del cure. 8

9 L mpedenza transtracca a secc, che dpende dall mpedenza all nterfacca elettrd/pelle e può essere prtata tramte l applcazne d un pprtun gel cnduttv ad un valre tpc d 50 Ω, vara tra Ω, mentre quella transcardaca tra Ω. L energa rchesta per la defbrllazne vara nvece n un range cmpres tra J. Assumend un mpedenza transtracca d 50 Ω ed una crrente applcata d 2 3 A, s ttene una tensne n uscta d V. Una stma nn crretta dell mpedenza transtracca (che ptrebbe dervare da una nadeguata preparazne della pelle attravers l gel) può prtare all applcazne d crrent nn apprprate; pertant mlt dspstv msuran prma l valre esatt d tale mpedenza per p scegler un lvell d energa che asscur l applcazne d una crrente apprprata. Defbrllatr mpantat permettn d ttenere crrent d sgla d 1-2 A cn tensn ed energe nferr. n partclare, assumend una mpedenza transcardaca d 20 Ω, s rcava una tensne necessara d 30 V cn un energa d crca 30 J. Cme sservazne fnale, s cta che lavr spermental hann prtat alla prgettazne e all svlupp d defbrllatr cardac che usan un camp magnetc per stmlare l muscl cardac. 9