Principi fisici della stimolazione cardiaca e della defibrillazione. Giuseppe Stabile SISTEMA DI STIMOLAZIONE

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1 Principi fisici della stimolazione cardiaca e della defibrillazione Giuseppe Stabile SISTEMA DI STIMOLAZIONE

2 TERMINOLOGIA ELETTRICA UTILIZZATA NELL ELETTROSTIMOLAZIONE! Tensione! Corrente! Resistenza! Energia TENSIONE! Forza (Potenziale) che causa il movimento di elettroni! Una Tensione più alta indica una maggiore forza nel muovere gli elettroni! L unità di misura è il Volts (V)

3 CORRENTE! E un flusso di elettroni dentro un circuito completamente chiuso! L unità di misura è l Ampere (A)! 1 Ampere = 1000 ma! Il simbolo elettrico è: I! Nel pacing si usa il milliampere (ma) RESISTENZA! Rappresenta l opposizione al passaggio della corrente! L unità di misura è l Ohm ( Ω )! Il simbolo elettrico è: R! La gamma di valore nel pacing è: ohms

4 Altezza = Volts [V] IL CIRCUITO ELETTRICO LEGGE DI OHM TENSIONE = CORRENTE x RESISTENZA V = R x I ( I =V / R o R =V / I) ANALOGIA ELETTRICA Serbatoio = Batteria Quantità d acqua = Capacità Batteria [Ah] Rubinetto = Resistenza [R] Rubinetto tutto aperto R = 0 Rubinetto chiuso R = Flusso d acqua = Corrente [I] Produzione di lavoro (Energia [E] )

5 ANALOGIA ELETTRICA Consumo di acqua normale (normale assorbimento di corrente) Getto d acqua normale Resistenza normale Consumo di acqua elevato (elevato assorbimento di corrente) Fori di perdita Getto d acqua normale Consumo di acqua ridotto (ridotto assorbimento di corrente) Bassa resistenza Getto d acqua ridotto Alta resistenza Strozzatura ROTTURA DELL ISOLANTE

6 ROTTURA DEL CONDUTTORE IMPEDENZA! Resistenza del filo conduttore! Polarizzazione all interfaccia tessutoelettrodo! Resistenza all interfaccia tessuto-elettrodo! Resistenza dei tessuti tra gli elettrodi I primi due fattori diminuiscono la corrente disponibile per la stimolazione, mentre il terzo fattore diminuisce il flusso di corrente senza diminuire l efficacia della stimolazione

7 Stimolazione cardiaca I tessuti biologici, come il tessuto nervoso e quello muscolare, rispondono allo stimolo elettrico con un onda di depolarizzazione, auto-rigenerantesi rigenerantesi,, non proporzionale all intensit intensità della stimolazione. Questa proprietà è conosciuta come eccitabilità,, ed è legata ai flussi ionici che attraversano la membrana cellulare. Quando uno stimolo elettrico è applicato ad una membrana cellulare, la corrente si propaga dal sito di applicazione dello stimolo, sia passivamente, che attivamente, come onda auto- rigenerantesi. Stimolazione cardiaca Ci sono due teorie su come uno stimolo elettrico induca un onda di depolarizzazione auto propagatesi all interno del miocardio. La teoria sulla densità di corrente secondo la quale l elemento critico è la magnitudine della corrente che attraversa una data massa di miocardio attraverso gli elettrodi stimolatori. Così,, in teoria, la soglia di stimolazione è in funzione della densità di corrente (A/cm 3 ). La teoria del campo elettrico prevede che il fattore determinante sia la magnitudine del campo elettrico (V/ cm 3 ). Idealmente le due teorie sono legate dalla legge di Ohm s: V=IR. L energia totale di uno stimolo è determinata anche dalla durata dello stesso (E=VI( E=VIt), da cui E=V 2 t/r.

8 ENERGIA! Fondamentale Unità di Lavoro! E il prodotto di Tensione, Corrente e Durata dell Impulso! Unità di misura: Joule (J)! 1J = 1000 mj = µj! Simbolo elettrico: E! Nel pacing si usa il µj (micro Joule) LO SPIKE Durata impulso del PMK Ampiezza

9 ENERGIA E = V x I x D.I. E = V 2 / R x D.I. QUESTA E LA FORMULA DELL ENERGIA APPLICATA AI PACEMAKERS E = I 2 x R x D.I. V=Ampiezza; I= Corrente al cuore; D.I.=Durata dell impulso erogato ENERGIA E LONGEVITA V, 500 Ω,0.5 ms E= 25 x V, 500 Ω,0.5 ms E= 6.25 x E= V 2 x D.I. R E= 25 µ J E= 6.25 µj (longevità aumentata)

10 ENERGIA E LONGEVITA E= V 2 x D.I. R 1. 2,5V, 500 Ω, 0.5 ms E= 6.25 x E= 6.25 µj 1. 2,5V, 200 Ω, 0.5 ms E= x 0.5 E= 15.6 µj (longevità ridotta) Fattori che influenzano la vita della batteria! Tensione di uscita! Resistenza elettrocatetere! Durata di impulso! Frequenza di stimolazione! Percentuale di stimolazione! Capacità della batteria

11 SOGLIA DI STIMOLAZIONE E l energia elettrica minima richiesta per catturare costantemente il cuore CURVA DI CATTURA V O L T S (V) E anche detta curva Strenght-Duration: relazione tra l energia erogata e la cattura del cuore AREA DI NON CATTURA E= V 2 / R x D.I. V e D.I. sono parametri programmabili nel pmk AREA DI CATTURA DURATA IMPULSO (ms)

12 Volts (V) Margine di sicurezza DEFINIZIONE: VALORI: E IL RAPPORTO TRA L AMPIEZZA DI USCITA DEL CARDIOSTIMOLATORE E AMPIEZZA NECESSARIA ALLA CATTURA AD UNA DATA DURATA DI IMPULSO. ACUTO: CRONICO: x 3 ( entro 6 settimane dopo l impianto) x 2 ( dopo le prime 6 settimane) Margine di sicurezza Valori Tipici : ACUTO: x 3 l ampiezza di soglia CRONICO: x 2 l ampiezza di soglia Programmazione del pacemaker 2,5 0.5 msec

13 Margine di sicurezza IN CRONICO IL MARGINE DI SICUREZZA x2 IN AMPIEZZA SI PU0 OTTENERE ANCHE MOLTIPLICANDO PER TRE VOLTE LA DURATA DI IMPULSO. QUESTO, PER LA FORMULA DELL ENERGIA, PERMETTE UN NOTEVOLE RISPARMIO DELLA BATTERIA TENSIONE (V) E = V 2 x D.I. R N.B.: Ciò è valido a condizione che il prodotto finale della durata di impulso sia compreso tra 0.25 msec e 0,90 msec FATTORI CHE INFLUENZANO LA SOGLIA! Maturazione dell elettrocatetere! Tecnologia dell elettrocatetere! Polarizzazione! Farmaci

14 PROCESSO DI MATURAZIONE DELL ELETTRODO TRAUMA INFIAMMAZIONE ACUTA - Edema e Danno della membrana cellulare - Capsula di fibrina RIPARAZIONE TESSUTO DAL DANNO ACUTO - Restringimento della capsula fibrotica FIBROSI TESSUTO ECCITABILE FASE ACUTA FASE CRONICA TESSUTO ECCITABILE TESSUTO FIBROTICO NON ECCITABILE

15 Andamento tipico della soglia nel tempo SOGLIA DI STIMOLAZIONE (VOLTS) Margine Sicurezza X3 ( Fino al 300 %) Margine Sicurezza X2 DOVUTO A: -Trauma Acuto - Infiammazione Acuta DOVUTO A: - Capsula Fibrotica Tecnologia degli elettrocateteri! Configurazione uni o bipolare! Geometria dell elettrodo! Materiale Elettrodo! Eluzione di Steroide! Rigidità elettrocatetere! Fissaggio

16 Stimolazione unipolare e bipolare SISTEMA UNIPOLARE PDM Elettrodo Positivo Elettrodo Negativo SISTEMA BIPOLARE PDM Elettrodo Positivo Elettrodo Negativo Unipolare ELETTROCATETERE vs Bipolare! Ampio Artefatto sull ECG! Meno rigido! Teoricamente più affidabile! Connettore più semplice! Corpo elettrocatetere più sottile! Nessuna stimolazione della tasca! Nessun miopotenziale! Protetto maggiormente dalle EMI! Onda T più piccola SIMILITUDINI: Soglia di Pacing

17 Geometria dell elettrodo La ricerca tecnologica nel campo dell elettrostimolazione ha dimostrato: - Più è piccola la punta, più basse saranno le soglie di stimolazione (Perchè si ha meno dispersione di energia) - Più è grande la punta, migliore sarà il sensing (Perchè è maggiore la superficie che può rilevare il segnale) Queste due definizioni sono in contrasto tra loro. ELETTRODO POROSO L elettrodo poroso rappresenta il compromesso tra le due definizioni precedenti. Superficie di Pacing: 7.5 mm 2 Superficie di Sensing: 50 mm 2

18 POLARIZZAZIONE! Riduce l efficienza della stimolazione! Dipende dal materiale che costituisce l elettrodo POLARIZZAZIONE La polarizzazione è una corrente ionica (Na + ) che si oppone alla corrente di stimolazione dell elettrodo. Più questa corrente ionica è grande, maggiore sarà la corrente necessaria per la cattura (e quindi la tensione di uscita con conseguente maggior consumo della batteria). La polarizzazione è un fenomeno che è sempre presente ma diminuisce l effetto se l elettrodo a contatto con il cuore ha polarità negativa e se il materiale di cui è composto è platino iridio (o altro materiale non polarizzante es: carbone pirolitico etc )

19 Elettrodo ad eluzione di steroide PUNTA POROSA SERBATOIO DELLO STEROIDE ( 1 mg) Elettrodo ad eluzione di steroide DURATA IMPULSO (msec)

20 ELETTRODO A VITE ISOLANTE IN SILICONE CAPSULA IN MANNITOLO CONDUTTORE VITE FISSA RIGIDITA Anche la rigidità influisce sulla soglia di Pacing e Sensing: Più l elettrocatetere è rigido, maggiore sarà il trauma che si verrà a creare sul tessuto e quindi maggiore sarà la soglia di Pacing e minore il Sensing ottenibile L isolante in silicone rende l elettrocatetere più morbido e quindi meno traumatico per il tessuto.

21 Variazioni di soglia INCREMENTO:! Ipertono vagale! Mangiare! Dormire! Insulina! Infusione di K + -Na +! Ipossia, ipercapnia, alcalosi ed acidosi metabolica! Ischemia miocardica DECREMENTO:! Ipertono simpatico! Attività Variazione della soglia dovuta ai farmaci AUMENTO:! AA IA! AA IC! Propanolo! Estrogeni DECREMENTO:! Desametazone! Efedrina! Epinefrina! Prednisone! Aspirina! Isoproterenolo

22 ELETTROGRAMMA ENDOCAVITARIO EGM ECG di superficie Ampiezza dell elettrogramma elettrogramma ventricolare MILLIVOLTS (mv)

23 Ampiezza dell elettrogramma elettrogramma ventricolare MILLIVOLTS (mv) Fattori che influenzano il sensing (esclusa la tecnologia dell elettrodo) L ampiezza del segnale intracavitari (EGM) dipende da: - Dalla vicinanza dell elettrodo al muscolo cardiaco - Dallo spessore del muscolo cardiaco (Massa) - Dalla prossimità dell elettrodo ai tessuti conduttivi

24 L IMPORTANZA DEL SENSING! Corretta Inibizione! Esclude errati rilevamenti! Corretta temporizzazione Ampiezza elettrogramma nel tempo Fino al 40 % per l onda R Fino al 60-70% per l onda P AMPIEZZA (mv)

25 Valori medi di ampiezza Ventricolare Acuto Ventricolare Cronico 7-15 mv 5-12 mv Atriale Acuto mv Atriale Cronico mv Margine di sicurezza del sensing Anche il sensing come il pacing necessita di un margine di sicurezza per compensare le riduzioni di sensing che avvengono alla stessa maniera del pacing. In particolare occorre programmare il sensing ad un valore pari alla metà del valore di ampiezza dell elettrogramma misurato dalla isoelettrica al picco più ampio. Esempio: Se un paziente ha un ampiezza dell elettrogramma dell onda R di 7mV, si dovrà programmare la sensibilità del pacemaker ad un valore non superiore a 3.5 mv

26 Fattori che influenzano il sensing! Maturazione dell elettrocatetere! Dislocamento dell elettrocatetere! Perforazione del miocardio! Ischemia! Integrità dell elettrocatetere! Farmaci DEFIBRILLAZIONE

27 Perché uno shock interrompe una fibrillazione? La fibrillazione è mantenuta da multipli fronti di attivazione, in movimento costante, secondo un pattern di rientro. Uno shock in grado di terminare la fibrillazione deve estinguere molti di questi fronti di attivazione, senza creare un nuovo disordine elettrico che favorirebbe la re-induzione della fibrillazione. Perché uno shock interrompe una fibrillazione? La distribuzione del gradiente di potenziale è di grande importanza, perché tanto minore è tale gradiente, tanto maggiore è la probabilità di defibrillare il cuore. Fondamentalmente, la defibrillazione si realizza quando un impulso elettrico è in grado di determinare un alterazione del potenziale di membrana dei miociti, in una massa critica di miocardio (75-90% nei cani), spesso a notevole distanza dall elettrodo di stimolazione.

28 Perché uno shock non interrompe una fibrillazione? residui fronti di onda vaganti refrattarietà non uniformi aree di basso gradiente di potenziale focai ectopici Evoluzione temporale della fibrillazione? Fase ondulatoria 1 o 2 secondi Da 3 a 6 contrazioni ondulatorie che simulano una sistole in una larga area di miocardio

29 Evoluzione temporale della fibrillazione? Fase incoordinazione convulsiva Onde di contrazione più frequenti, non in fase, che interessano una piccola area di miocardio secondi dall inizio (intervento ICD) Evoluzione temporale della fibrillazione? Fase incoordinazione tremula Le aree che si contraggono indipendentemente sono ancora più piccole

30 Evoluzione temporale della fibrillazione? Fase fibrillazione atonica 2-5 minuti dall inizio Evoluzione temporale della fibrillazione?

31 Evoluzione temporale della fibrillazione? L ischemia gioca un ruolo fondamentale nello sviluppo della terza e quarta fase. La fibrillazione ventricolare si risolve spontaneamente se è implicata una massa al di sotto del valore critico (25% nel cane) Evoluzione temporale e spaziale della fibrillazione? Classificazione di Wells Tipo I (complessi discreti, isoelettrica) Tipo II (complessi discreti, no isoelettrica) Tipo III (no complessi discreti, no isoelettrica) Tipo IV (I+III)

32 Perché uno shock interrompe una fibrillazione? Uno shock può avere tre diversi effetti sul miocardio, in funzione dell energia locale dello shock e dell intervallo di applicazione rispetto al potenziale di azione locale. Se lo shock è applicato durante il plateau, vi saranno piccoli effetti sul potenziale di azione. Se lo shock ha un energia sufficiente ed è erogato relativamente tardi, durante il potenziale di azione, esso sarà in grado di iniziare un nuovo potenziale di azione. Uno shock di energia sufficiente, applicato durante l inizio della fase 3 del potenziale di azione, è in grado di modificarlo e prolungarlo senza iniziare un nuovo potenziale di azione. Questo effetto, detto ipotesi dell estensione della refrattarietà, permette di spiegare come uno shock sia in grado di terminare la fibrillazione. Fattori che influenzano la soglia di defibrillazione Forma d onda (monofasica o bifasica) Sede di applicazione dello shock Energia erogata Impedenza