Desfibrilador externo

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Antecedentes

Um desfibrilador externo é um dispositivo que aplica um choque elétrico no coração através da parede torácica. Esse choque ajuda a restaurar o coração a um ritmo saudável e regular. O dispositivo é geralmente vendido como um kit que consiste em uma unidade de controle de energia, eletrodos de pás e vários acessórios. As peças são feitas individualmente e montadas por meio de um processo de produção integrado. Desde então, os fabricantes de dispositivos médicos introduziram vários desfibriladores, internos e externos, que acrescentaram anos à vida dos pacientes.

Para entender como um desfibrilador pode reiniciar um coração parado, a fisiologia do órgão deve ser considerada. O coração humano tem quatro câmaras, que criam duas bombas. A bomba certa recebe o sangue pobre em oxigênio que retorna do corpo e o bombeia para os pulmões. A bomba esquerda recebe o sangue oxigenado dos pulmões e o bombeia para o resto do corpo. Ambas as bombas têm uma câmara de ventrículo e uma câmara de átrio e funcionam de maneira semelhante. O sangue se acumula no átrio e é então transferido para o ventrículo. Após a contração, o ventrículo bombeia o sangue para longe do coração.

A coordenação da ação de bombeamento é crítica para o funcionamento correto do coração. A região do marcapasso, que fica no átrio direito do coração, é responsável por esse controle. Nessa região, um impulso elétrico espontâneo é criado pela difusão de íons cálcio, íons sódio e íons potássio através das membranas celulares. O impulso assim criado é transferido para as câmaras do átrio, fazendo com que se contraiam, empurrando o sangue para os ventrículos. Após cerca de 150 milissegundos, o impulso chega aos ventrículos, fazendo com que se contraiam e bombeiam sangue para fora do coração. À medida que o impulso se afasta das câmaras do coração, essas seções relaxam. Em um coração normal, o processo se repete.

Em alguns casos, o sistema de controle elétrico do coração funciona mal e resulta em batimentos cardíacos irregulares, como fibrilação ventricular. Várias condições podem causar fibrilação ventricular, incluindo artérias bloqueadas, má reação à anestesia e choque elétrico. Os desfibriladores são usados ​​para fornecer um forte choque elétrico ao coração. Dois eletrodos são colocados no tórax e um choque é aplicado. Um desfibrilador típico aplica um choque de três a nove milissegundos. Por razões não muito compreendidas, o choque essencialmente redefine o ritmo ventricular natural e permite que o coração bata normalmente.

Na prática, um desfibrilador externo pode ser operado em um local de emergência ou hospital. O operador primeiro liga a máquina e, em seguida, aplica um gel condutor aos eletrodos da pá ou ao tórax do paciente. O nível de energia é selecionado e o instrumento é carregado. As pás são colocadas firmemente no tórax sem roupa do paciente com uma pressão de cerca de 25 lb (11 kg). Os botões nos eletrodos são pressionados simultaneamente e o choque elétrico é aplicado. O paciente é então monitorado para um batimento cardíaco regular. O processo é repetido se necessário.

História

A descoberta de que um coração com defeito poderia ser reiniciado com uma carga elétrica é um dos grandes desenvolvimentos da medicina moderna. Essa ideia começou por volta de 1888, quando foi sugerido por Mac William que a fibrilação ventricular poderia ser a causa da morte súbita. A fibrilação ventricular é uma condição na qual o coração bate repentinamente de forma irregular, impedindo sua capacidade de bombear o sangue que, em última análise, pode levar à morte. Pode ser causado por um bloqueio da artéria coronária, vários tipos de anestesia e choque elétrico.

Em 1899, Prevost e Batelli fizeram a descoberta crucial de que grandes voltagens aplicadas através do coração poderiam interromper a fibrilação ventricular em animais. Vários outros cientistas estudaram mais detalhadamente os efeitos da eletricidade no coração durante o início do século XIX.

Durante as décadas de 1920 e 1930, a pesquisa neste campo foi apoiada pelas empresas de energia porque a fibrilação ventricular induzida por choque elétrico matou muitos trabalhadores da rede elétrica. Hooker, William B. Kouwenhoven e Orthello Langworthy produziram um dos primeiros sucessos dessa pesquisa. Em 1933, eles publicaram os resultados de um experimento, que demonstrou que uma corrente alternada aplicada internamente poderia ser usada para produzir um contra choque que reverteu a fibrilação ventricular em cães.

Em 1947, o Dr. Claude Beck relatou a primeira desfibrilação humana bem-sucedida. Durante uma cirurgia, Beck viu seu paciente apresentar fibrilação ventricular. Ele aplicou uma corrente alternada de 60 Hz e conseguiu estabilizar os batimentos cardíacos. O paciente sobreviveu e o desfibrilador nasceu. Em 1954, Kouwenhoven e William Milnor demonstraram a primeira desfibrilação torácica fechada em um cão. Este trabalho envolveu a aplicação de eletrodos na parede torácica para aplicar o choque elétrico necessário. Em 1956, Paul Zoll usou as idéias aprendidas com Kouwenhoven e realizou a primeira desfibrilação externa bem-sucedida de um ser humano.

William Kouwenhoven.

William Bennett Kouwenhoven nasceu em 13 de janeiro de 1886 no Brooklyn. Treinado como engenheiro elétrico, suas contribuições mais duradouras para a ciência vieram da área médica. Usando sua experiência em engenharia elétrica, Kouwenhoven inventou três desfibriladores diferentes e desenvolveu técnicas de ressuscitação cardiopulmonar (RCP).

Na década de 1920, o interesse de Kouwenhoven se cruzou entre a engenharia elétrica e a medicina. Seu trabalho de engenharia se concentrou na transmissão de eletricidade por fio de alta tensão. Kouwenhoven ficou interessado no possível papel da eletricidade na reanimação de animais. Ele sabia que, quando aplicada ao coração, uma corrente elétrica poderia reiniciá-lo.

De 1928 a meados da década de 1950, Kouwenhoven desenvolveu três desfibriladores:o desfibrilador de tórax aberto, o Hopkins AC Desfibrilador e o Mine Safety Portable. Eles deveriam ser usados ​​dois minutos após o início da fibrilação ventricular, e pelo menos um requeria contato direto com o coração. Em 1956, Kouwenhoven começou a desenvolver um método não invasivo. Durante um experimento com um cachorro, ele percebeu que o peso das pás do desfibrilador aumentava a pressão arterial do animal. Com base nisso, Kouwenhoven desenvolveu o CPR.

No início dos anos 1960, o CPR estava sendo usado nos Estados Unidos. O trabalho inovador de Kouwenhoven foi reconhecido pela comunidade médica e pelo estabelecimento de engenharia elétrica. Ele foi premiado com a medalha de ouro da Associação Médica Americana (AMAj Ludwig Hekton em 1961 e 1972, e a medalha Edi-son do Instituto Americano de Engenharia Elétrica em 1962. Johns Hopkins concedeu a Kouwenhoven um doutorado honorário em 1969 (ele é a única pessoa que já receba esta homenagem). Ele ganhou o Prêmio de Pesquisa Clínica Albert Lasker em 1973. Kouwenhoven morreu em 10 de novembro de 1975.

Na década de 1960, os cientistas descobriram que os desfibriladores de corrente contínua tinham menos efeitos colaterais adversos e eram mais eficazes do que os desfibriladores de corrente alternada. Em 1967, Pantridge e Geddes demonstraram que o uso de um desfibrilador CC movido a bateria poderia salvar vidas. O final dos anos 60 viu a introdução de um desfibrilador implantável pelo Dr. Michael Mirowski. Ambos os desfibriladores internos e externos foram reprojetados na década de 1970 para detectar automaticamente a fibrilação ventricular. À medida que melhorias na eletrônica e nos computadores tornaram-se disponíveis, essas tecnologias foram adaptadas aos desfibriladores.

Hoje, a desfibrilação se tornou parte integrante da rotina de resposta a emergências. Na verdade, a American Heart Association considera a desfibrilação uma habilidade básica de suporte de vida para paramédicos e equipes de resgate.

Matérias-primas

Matérias-primas biocompatíveis devem ser utilizadas na construção de desfibriladores, pois interagem com os pacientes. Os materiais também devem ser farmacologicamente inertes, não tóxicos, esterilizáveis ​​e funcionais em uma variedade de condições ambientais. As várias partes do desfibrilador, incluindo a caixa de controle, microeletrônica e eletrodos, são feitas com materiais biocompatíveis. Normalmente, a caixa é feita de plástico de poliestireno rígido ou liga de metal leve. Os eletrodos são feitos de titânio e borracha de silicone. A microeletrônica é feita de semicondutores de silício modificados. Os materiais primários usados ​​na construção da bateria podem incluir vários compostos, como ácido de chumbo, níquel-cádmio, zinco, lítio, dióxido de enxofre e dióxido de manganês.

Design

O projeto básico de um desfibrilador externo inclui uma caixa de controle, uma fonte de alimentação, eletrodos de entrega, cabos e conectores. Embora esses dispositivos às vezes sejam implantados em pacientes, este trabalho se concentra em unidades portáteis usadas em hospitais e locais de emergência.

Controles

A caixa de controle é uma caixa de plástico pequena e leve. Ele contém os circuitos de geração e armazenamento de energia. Em geral, a carga que é entregue ao paciente é gerada por circuitos de geração de alta tensão a partir da energia armazenada em um banco de capacitores na caixa de controle. O banco de capacitores pode conter até 7 kV de eletricidade. O choque que pode ser administrado a partir deste sistema pode ser de 30 a 400 joules. A caixa de controle também abriga os componentes eletrônicos de controle e os botões de entrada do operador. Os controles típicos em uma caixa de controle de desfibrilador incluem um botão de controle de energia, um controle de seleção de energia, um botão de carga e um botão de descarga de energia. Certos desfibriladores possuem controles especiais para pás internas ou eletrodos descartáveis.

Eletrodos

Os eletrodos são os componentes por meio dos quais o desfibrilador fornece energia ao coração do paciente. Muitos tipos de eletrodos estão disponíveis, incluindo pás manuais, pás internas e eletrodos descartáveis ​​pré-gelificados e autoadesivos. Em geral, os eletrodos descartáveis ​​são preferidos em ambientes de emergência porque têm vantagens, como aumentar a velocidade do choque e melhorar a técnica de desfibrilação. O tamanho da pá afeta o fluxo atual. Pás maiores criam uma resistência menor e permitem que mais corrente chegue ao coração. Assim, pás maiores são mais desejáveis. A maioria dos fabricantes oferece pás para adultos, que têm entre 8 e 13 cm de diâmetro, e pás pediátricas, que são menores.

Como a pele é um mau condutor de eletricidade, deve-se usar um gel entre o eletrodo e o paciente. Sem esse condutor, o nível da corrente que chega ao coração seria reduzido. Além disso, a pele pode ficar queimada. Uma variedade de géis e pastas estão disponíveis para esse propósito. Estes são compostos de ingredientes cosméticos como lanolina ou vaselina. Os íons de cloreto na fórmula também ajudam a formar uma ponte condutora entre a pele e o eletrodo, permitindo uma melhor transferência de carga. Muitos desses materiais são os mesmos compostos usados ​​para outros dispositivos médicos, como varreduras de ECG.

Bateria

As baterias são essencialmente recipientes de reações químicas. Em desfibriladores, uma variedade de baterias é usada. Eles são caracterizados pelas reações químicas neles contidas e incluem sistemas de chumbo-ácido, lítio e níquel-cádmio. Normalmente, essas baterias podem ser recarregadas por uma fonte de alimentação externa e, quando não estão em uso, os desfibriladores são armazenados conectados. Como as temperaturas extremas afetam negativamente as baterias, os desfibriladores são armazenados em ambientes controlados. Com o tempo, as baterias se desgastam e são substituídas. Isso é importante porque os produtos químicos da bateria são inerentemente corrosivos e potencialmente tóxicos.

Desfibriladores externos automatizados

Em 1978, o desfibrilador externo automático foi lançado. Este dispositivo é equipado com sensores que são aplicados ao tórax e determinam se a fibrilação ventricular está realmente ocorrendo. Se detectado, o dispositivo dá instruções para aplicar um choque elétrico. Esses dispositivos automatizados reduzem muito o treinamento necessário para usar um desfibrilador e salvaram milhares de vidas.

O processo de fabricação

Desfibriladores são dispositivos eletrônicos sofisticados. Normalmente, os fabricantes dependem fortemente dos fornecedores para produzir as peças componentes. Essas peças são enviadas para o fabricante e montadas para formar o produto final. O processo, portanto, não é linear, mas integrado.

Fazendo as baterias

• 1 Um tipo de bateria usado em desfibriladores é uma bateria de lítio. O projeto desse tipo de bateria envolve a conexão de várias células. Para desfibriladores, as células são feitas de metal de lítio e gás de dióxido de enxofre. Trabalhando sob condições livres de oxigênio, o lítio é moldado em uma caixa sólida e dióxido de enxofre é adicionado.
• 2 A célula é então hermeticamente selada para evitar que o gás dióxido de enxofre escape e a umidade entre. Em um projeto de bateria, quatro dessas células de lítio são conectadas em série e embaladas em uma caixa sólida. Um fusível de 8 A é montado em cada célula por razões de segurança. Todas as células têm um respiradouro que pode ser usado para liberar a pressão se o aumento for muito alto.

Criando o invólucro

• 3 Para fazer o invólucro e o invólucro externo dos eletrodos, pode-se usar um processo conhecido como moldagem por injeção. Neste procedimento, pelotas de plástico são derretidas e forçadas a tomar forma. Os grânulos de plástico são colocados em uma caixa de retenção presa à máquina de moldagem por injeção e derretidos.
• 4 O material é então passado por um parafuso controlado hidraulicamente. Conforme o parafuso gira, o plástico derrete ainda mais. É direcionado através de um bico e injetado no molde. O molde é formado por duas metades de metal que formam a forma da peça quando unidas. Quando o plástico está no molde, é mantido sob pressão por um momento e depois resfriado. À medida que esfria, o plástico endurece e assume a forma de molde. Um kit de desfibrilador externo. As peças do molde são separadas e a parte de plástico cai em uma esteira. O molde então fecha novamente e o processo é repetido. Depois que as peças de plástico são ejetadas do molde, elas são inspecionadas manualmente.

Fazendo a eletrônica

• 5 A placa-mãe dentro da caixa contém todos os circuitos elétricos do desfibrilador, incluindo chips semicondutores, resistores, capacitores e outros dispositivos. Usando um método intrincado conhecido como hibridização, esses componentes são combinados para formar um único circuito complexo. A construção começa com uma pequena placa que contém a impressão da configuração do circuito eletrônico.
• 6 A placa é então movida por uma máquina computadorizada que coloca os componentes apropriados exatamente onde são necessários na placa. Esta ação é realizada colocando a cabeça no dispositivo. Ele segura o componente eletrônico e o pressiona para baixo na placa.
• 7 Os componentes eletrônicos são então fixados na placa por uma máquina de solda usando um número mínimo de soldas. O circuito pode esfriar e é testado antes de ser conectado à caixa de controle.

Montagem

• 8 As placas eletrônicas são fixadas manualmente na caixa por operários de linha em condições extremamente limpas. As placas são O posicionamento das pás do desfibrilador. preso com vários parafusos e fechos. Os invólucros são equipados com botões de controle e adaptadores de eletrodo de metal. Toda a montagem é fechada com parafusos e enviada para uma área para testes e embalagem final.

Fabricação de eletrodos de pá

• 9 Além da camada externa, os eletrodos da pá são compostos por uma placa de metal e um cabo que os conecta à máquina principal. A placa de metal é uma liga condutora como o estanho. A chapa é feita em uma máquina chamada "lingotamento contínuo". O fundidor converte o estanho derretido em folhas finas, forçando-o entre grandes rolos resfriados a água. Uma fina camada de cloreto estanoso é borrifada nas folhas e elas são cortadas no tamanho apropriado para o eletrodo.
• 10 O cabo é produzido por uma técnica de desenho. Nesta etapa, o metal é aquecido até amolecer. Em seguida, é desenrolado e trefilado para produzir um arame longo.
• 11 O fio é então cortado e amarrado com outros fios. O feixe de fios é revestido com um isolador polimérico relativamente espesso e envolto em uma bainha isolante. Uma extremidade do fio é soldada à placa de metal.
• 12 A placa é então encaixada manualmente na casca externa e o cabo é passado por um orifício na parte de trás da casca.
• 13 A extremidade do cabo está equipada com um adaptador que pode ser conectado à caixa de controle.

Montagem final

• 14 Quando todos os componentes são concluídos, eles são reunidos em uma embalagem final. Os trabalhadores de linha pegam as peças individuais da máquina, incluindo os eletrodos, a bateria e a caixa de controle, e os colocam em uma caixa acolchoada. Eles também incluem cabos, manuais de instruções e outras informações.
• 15 Antes de qualquer produto ser enviado, ele é testado para garantir que entrega a carga adequada.

Controle de qualidade

A realização de inspeções visuais e elétricas em todo o processo produtivo garante a qualidade de cada desfibrilador. A fabricação de circuitos eletrônicos é particularmente sensível à contaminação, portanto a produção é feita em salas limpas e com fluxo de ar controlado. As roupas usadas pelos trabalhadores da linha de montagem devem ser sem fiapos para ajudar a reduzir a chance de contaminação. Como as baterias são críticas e potencialmente perigosas, elas são submetidas a extensos testes de desempenho, segurança e estabilidade. O desempenho funcional de cada desfibrilador concluído é testado para garantir que funciona. Isso pode ser feito carregando a bateria, descarregando o dispositivo e medindo a saída de carga. Para simular o uso na vida real, esses testes são feitos em diferentes condições ambientais. Os testes de qualidade também são feitos rotineiramente após a compra dos desfibriladores. O pessoal de engenharia realiza verificações de manutenção a cada três a seis meses, dependendo do uso. Isso normalmente envolve um teste de carga-descarga.

Cada empresa que fabrica dispositivos médicos deve se registrar no FDA (Food and Drug Administration) dos Estados Unidos. Eles devem aderir aos padrões de qualidade do FDA, conhecidos como "boas práticas de fabricação". Isso requer procedimentos extensivos de manutenção de registros e também sujeita o fabricante à inspeção de rotina da instalação para conformidade.

O Futuro

No futuro, os desfibriladores serão aprimorados para se tornarem mais seguros e eficientes. Por exemplo, os projetistas estão continuamente aprimorando o projeto do eletrodo para reduzir as chances de choque do operador do dispositivo. Uma patente recente emitida nos Estados Unidos descreve um sistema de eletrodo que usa um cabo em forma de Y apenas para essa finalidade. Os avanços na fabricação de circuitos integrados também tornarão os dispositivos mais fáceis de usar e mais leves.

Outra área importante de melhoria será encontrada na tecnologia de baterias. Cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven, do Departamento de Energia dos Estados Unidos, patentearam uma nova liga de metal que deve melhorar muito o desempenho da bateria recarregável. A liga pode ser incorporada em uma bateria de níquel / hidreto metálico para fornecer um aumento significativo na capacidade de armazenamento de carga. Além dessas áreas de avanço, melhorias no design do desfibrilador, como a incorporação de mais sensores para fornecer informações vitais sobre a condição do paciente, também serão introduzidas.

Onde aprender mais

Livros

Carr, J. J. Introdução à Tecnologia de Equipamentos Biomédicos. 2ª ed. Prentice Hall Career and Technology, 1993.

Fox, Stuart. Fisiologia Humana. W. C. B. Publishers, 1990.

Oever, R. V. D. Estimulação cardíaca e eletrofisiologia:uma ponte para o 21 ^st Século . Kluwer Acedemic Publishers, 1994.

Periódicos

Shakespeare, C. F. e A. J. Camin. "Eletrofisiologia, estimulação e arritmia." Cardiologia Clínica 15 (1992):601-606.

Outro

Worthington, Janet Farrar. "O engenheiro que poderia." Hopkins Medical News. 18 de março de 1998. 2 de outubro de 2001. .

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