Marcapasso

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O marcapasso é um dispositivo biomédico eletrônico que pode regular os batimentos cardíacos humanos quando seus mecanismos reguladores naturais são interrompidos. É uma pequena caixa implantada cirurgicamente na cavidade torácica e possui eletrodos que ficam em contato direto com o coração. Desenvolvido pela primeira vez na década de 1950, o marca-passo passou por várias alterações de design e encontrou novas aplicações desde sua invenção. Hoje, os marcapassos são amplamente utilizados, implantados em dezenas de milhares de pacientes anualmente.

Antecedentes

O coração é composto por quatro câmaras, que constituem duas bombas. A bomba certa recebe o sangue que retorna do corpo e o bombeia para os pulmões. A bomba esquerda tira sangue dos pulmões e o bombeia para o resto do corpo. Cada bomba é composta por duas câmaras, um átrio e um ventrículo. O átrio coleta o sangue que chega. Quando se contrai, ele transfere o sangue para o ventrículo. Quando o ventrículo se contrai, o sangue é bombeado para longe do coração.

Em um coração com funcionamento normal, a ação de bombeamento é sincronizada pela região do marcapasso do coração, ou nó sinoatrial, que está localizado no átrio direito. Este é um marca-passo natural que tem a capacidade de criar energia elétrica. O impulso elétrico é criado pela difusão de íons cálcio, íons sódio e íons potássio através da membrana das células na região do marca-passo. O impulso criado pelo movimento desses íons é primeiro transferido para os átrios, fazendo com que eles se contraiam e empurrem o sangue para os ventrículos. Após cerca de 150 milissegundos, o impulso se move para os ventrículos, fazendo com que eles se contraiam e bombeiem o sangue para longe do coração. À medida que o impulso se afasta de cada câmara do coração, essa seção relaxa.

Infelizmente, o marca-passo natural pode funcionar mal, levando a batimentos cardíacos anormais. Essas arritmias podem ser muito graves, causando desmaios, ataques cardíacos e até a morte. Os marcapassos eletrônicos são projetados para suplementar os próprios controles naturais do coração e para regular os batimentos cardíacos quando estes se quebram. Ele é capaz de fazer isso porque é equipado com sensores que monitoram constantemente o coração do paciente e uma bateria que envia eletricidade, quando necessário, por meio de fios condutores ao próprio coração para estimular o coração a bater.

Além das unidades externas, os marcapassos artificiais podem ser implantados permanentemente no tórax do paciente. Isso é feito guiando-se primeiro o eletrodo por uma veia até uma câmara do coração, onde o eletrodo é preso. A imagem fluoroscópica ajuda a facilitar esse processo. O próprio marcapasso é colocado em uma bolsa, que é formada por cirurgia logo acima do quadrante abdominal superior. O fio condutor é então conectado ao marca-passo e o bolso é costurado. Esse é um grande avanço em relação aos métodos anteriores, que exigiam a abertura da cavidade torácica e a fixação dos eletrodos diretamente na superfície externa do coração.

História

A ideia de usar um dispositivo eletrônico para fornecer uma regulação consistente do batimento cardíaco não era inicialmente óbvia para os primeiros desenvolvedores do marca-passo. O primeiro marca-passo, desenvolvido por Paul Zoll em 1952, era uma versão portátil de um ressuscitador cardíaco. Ele tinha dois fios condutores que podiam ser presos a um cinto usado pelo paciente. Ele foi conectado à tomada mais próxima e aplicou um choque elétrico que estimulou o coração de um paciente que estava tendo um ataque. Essa estimulação geralmente seria suficiente para fazer o coração retomar sua função normal. Embora moderadamente eficaz, esse marca-passo inicial foi usado principalmente em situações de emergência.

Ao longo de 1957 e 1960, melhorias significativas foram feitas na invenção original de Zoll. Em uma tentativa de reduzir a quantidade de voltagem necessária para reiniciar o coração e aumentar o tempo que a estimulação eletrônica poderia ser realizada, C. Walton Lillehei fez um marca-passo que tinha condutores fixados diretamente na parede externa do coração. Mais tarde, em 1958, uma bateria foi adicionada como fonte de alimentação, tornando o marcapasso verdadeiramente portátil, o que permitia que os pacientes tivessem mobilidade. Isso também permitiu que os pacientes usassem o marca-passo continuamente, em vez de apenas para emergências. O marcapasso de Lillehei era externo. William Chardack e Wilson Greatbatch inventaram o primeiro marca-passo implantável. Foi implantado em um paciente vivo em 1960.

A técnica moderna para colocar um marca-passo no coração de um paciente foi desenvolvida por Seymour Furman. Em vez de abrir a cavidade torácica, ele usou um método de inserir os eletrodos em uma veia e enfiá-los nos ventrículos. Com os condutores dentro do coração, voltagens ainda mais baixas eram necessárias para regular o batimento cardíaco. Isso aumentou o tempo que um marcapasso pode permanecer dentro de uma pessoa. Embora seu método não tenha sido amplamente utilizado no início, no final dos anos 1960, a maioria dos cardiologistas mudou para os marcapassos endocárdicos de Furman. Desde então, melhorias foram feitas em seu design, incluindo dispositivos de marcapasso menores, baterias de maior duração e controles de computador.

Matérias-primas

Os materiais usados ​​na construção dos marcapassos devem ser farnacologicamente inertes, atóxicos, esterilizáveis ​​e capazes de funcionar nas condições ambientais do corpo. As várias partes do marca-passo, incluindo o invólucro, a microeletrônica e os eletrodos, são feitas com materiais biocompatíveis. Normalmente, o invólucro é feito de titânio ou uma liga de titânio. O chumbo também é feito de uma liga metálica, mas é isolado por um polímero como o poliuretano. Apenas a ponta de metal do chumbo fica exposta. O circuito é geralmente feito de semicondutores de silício modificados.

Design

Muitos tipos de marcapassos estão disponíveis. A Sociedade Norte-Americana de Estimulação e Eletrofisiologia (NASPE) classificou por qual câmara cardíaca é estimulada, qual câmara é detectada, como o marca-passo responde a uma batida detectada e se é programável. Apesar dessa vasta gama de modelos, todos os marcapassos são compostos essencialmente de uma bateria, fios condutores e circuitos.

A principal função de uma bateria de marca-passo é armazenar energia suficiente para estimular o coração com um choque elétrico. Além disso, ele também fornece energia para os sensores e dispositivos de cronometragem. Como essas baterias são implantadas no corpo, elas são projetadas para atender a características específicas. Primeiro, eles devem ser capazes de gerar cerca de cinco volts de potência, um nível um pouco mais alto do que a quantidade necessária para estimular o coração. Em segundo lugar, eles devem manter seu poder por muitos anos. O prazo mínimo é de quatro anos. Terceiro, eles devem ter um ciclo de vida previsível, permitindo ao médico saber quando uma substituição é necessária. Finalmente, eles devem ser capazes de funcionar quando hermeticamente (hermeticamente fechados). As baterias têm dois metais que formam o ânodo e o cátodo. Esses são os componentes da bateria por meio dos quais a carga é transferida. Alguns exemplos incluem lítio / iodeto, cádmio / óxido de níquel e baterias nucleares.

Os eletrodos do marca-passo são fios finos e isolados, projetados para transportar eletricidade entre a bateria e o coração. Dependendo do tipo de marca-passo, ele conterá um único eletrodo, para marcapassos de câmara única, ou dois eletrodos, para marcapassos de dupla câmara. Com as batidas constantes do coração, esses fios são cronicamente flexionados e devem ser resistentes à fratura. Existem muitos estilos de cabos disponíveis, com diferenças de design primárias encontradas na extremidade exposta. Muitos dos eletrodos têm uma ponta de rosca, o que ajuda a prendê-los à parede interna do coração.

O circuito é o centro de controle do marca-passo. Localizados aqui estão sensores de monitoramento cardíaco, reguladores de tensão, circuitos de temporização, e controles externamente programáveis. O circuito é composto principalmente de resistores, capacitores, diodos e semicondutores. O circuito de marcapasso moderno é uma grande melhoria em relação aos modelos anteriores. Com a aplicação de semicondutores, as placas de circuito tornaram-se muito menores. Eles também requerem menos energia, produzem menos calor e são altamente confiáveis.

O processo de fabricação

Os marcapassos são dispositivos eletrônicos sofisticados. Portanto, alguns fabricantes contam com fornecedores externos para fornecer muitas das peças componentes. A construção de um marcapasso não é um processo linear, mas integrado. As partes componentes, como bateria, condutores e circuitos, são construídos individualmente e depois montados para formar o produto final.

Fazendo a bateria

• 1 O principal tipo de bateria usado em marca-passos é uma célula de lítio / iodo. Um método usado pelos fabricantes para fazer essas baterias envolve primeiro a mistura de iodo e um polímero, como poli2-vinilpiridina (PVP). Eles são aquecidos juntos, formando um complexo de transferência de carga fundido. Este líquido é então derramado em uma célula pré-formada em forma de meia-lua que contém os outros componentes da bateria, incluindo o ânodo de lítio (carga positiva) e uma tela coletora de cátodo. A mistura de iodo / polímero se solidifica à medida que esfria para formar o cátodo. Depois que o cátodo é formado, a bateria é hermeticamente selada para evitar a entrada de umidade.

Fazendo leads

• 2 Os cabos são normalmente compostos de uma liga de metal. O arame é feito por um processo de extrusão no qual o metal é aquecido até derreter e, em seguida, empurrado por uma abertura de tamanho adequado. Ele é cortado e, em seguida, amarrado com muitos outros fios e tratado com um isolante polimérico como o poliuretano. Uma extremidade dos fios condutores é moldada com uma ponta moldada e a outra é equipada com um conector de marca-passo.

Fazendo a placa-mãe

• 3 A placa-mãe contém todos os circuitos elétricos do marca-passo, incluindo os chips semicondutores, resistores, capacitores e outros dispositivos. Usando um método complexo conhecido como hibridização, esses componentes são combinados para formar um único circuito complexo. A construção começa com uma pequena placa (menos de 0,32 pol² [2 cm²]) que possui a configuração eletrônica mapeada. Os componentes apropriados são colocados na placa. Eles são então fixados usando um número mínimo de soldas de solda.

Montagem final e embalagem

• 4 Quando todas as peças do componente estiverem disponíveis, a montagem final será realizada. O circuito é conectado à bateria e ambos são inseridos no invólucro de metal. O invólucro usado para um marca-passo é normalmente formado com titânio ou uma liga de titânio. Ele é construído em várias peças que são seladas depois que os outros componentes do marcapasso são introduzidos. Um encaixe também é afixado ao invólucro, fornecendo um ponto de conexão para os condutores.
• 5 Os dispositivos acabados são colocados na embalagem final junto com os acessórios. Depois de exaustivamente testados, eles são enviados para distribuidores e, finalmente, para médicos.

Controle de qualidade

A qualidade de cada marca-passo é garantida por meio de inspeções visuais e elétricas em todo o processo produtivo. Esses testes detectarão a maioria das falhas. Uma vez que as baterias devem ser absolutamente confiáveis, elas são especialmente fabricadas e exaustivamente testadas, aumentando tremendamente os custos associados. A funcionalidade de cada marca-passo finalizado também é testada antes de ser enviado para venda. Muitos desses testes são feitos em condições ambientais variáveis, como umidade excessiva e estresse.

Os fabricantes definem seus próprios padrões de qualidade para os marcapassos que produzem. No entanto, padrões e recomendações de desempenho são exigidos por várias organizações médicas e agências governamentais. Nos Estados Unidos, os marcapassos são classificados como dispositivos biomédicos de Classe III, o que significa que requerem a aprovação pré-comercialização da Food and Drug Administration (FDA) dos Estados Unidos.

O Futuro

Com o aumento do número de idosos nos Estados Unidos, prevê-se que uma porcentagem maior da população precisará de marcapassos. Conforme os esforços de pesquisa continuam, os dispositivos futuros prometem ser mais duradouros, confiáveis ​​e versáteis. Os avanços na tecnologia das baterias, como o uso de isótopos radioativos para gerar energia, sem dúvida aumentarão a longevidade dos marcapassos implantados. Os desenvolvimentos em microeletrônica devem fornecer dispositivos ainda menores e menos sujeitos a interferências ambientais. Um desenvolvimento inovador no campo é a aplicação da tecnologia de marcapasso cardíaco ao cérebro. Nesse sistema, os cientistas conectam os fios condutores a um local específico no cérebro e o estimulam conforme necessário para regular os batimentos cardíacos. Este dispositivo demonstrou ser particularmente eficaz para acalmar os tremores associados à doença de Parkinson.