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Descripcion y Evolucion del MarcapasosGefry A. Castro

Resumen—Este documento pretende ser una breve explicaciondel funcionamiento del marcapasos, ası como de su evolucion ylas modificaciones y avances que ha tenido en el transcurso delas ultimas decadas.

Palabras Claves—Avances, Bioingenierıa, Marcapasos.

I. INTRODUCCION

UN gran porcentaje de la poblacion es vıctima de ataquescardiacos, accidentes o de enfermedades que afectan el

corazon. Por lo cual cuidar de estos pacientes en unidades decuidado especial en hospitales involucra el uso de equiposespecializados entre los que se encuentran los marcapasosy los desfibriladores. Estos ultimos junto con equipos deresucitacion cardiopulmonar tambien son de gran importanciano solo en los hospitales, sino en ambulancias o en lugaresdonde se presente alguna emergencia.

Durante el transcurso de los anos los sistemas de mar-capasos electronicos se han convertido en un protagonistaimportante a la hora de salvar y preservar la vida de pacientescardiacos cuyas funciones normales de estimulacion se en-cuentran danadas. Dependiendo de la naturaleza exacta de ladisfuncion cardiaca, un paciente puede requerir estimulacionartificial temporal durante el transcurso de un tratamiento oestimulacion permanente con el fin de llevar una vida activay productiva despues del tratamiento.

II. FUNDAMENTOS MEDICOS

La accion rıtmica del corazon es iniciada por potencialesde accion de ocurrencia regular (impulsos electroquımicos)originados en el marcapasos cardiaco natural, localizado enel nodo sino-auricular (SA). Cada impulso de estimulacionse propaga por el miocardio, esparciendose por toda lasuperficie del atrio (aurıcula) hasta el nodo atrio-ventricular(AV) y despolarizando el atrio. Despues de un breve retrasoen el nodo AV, el impulso es conducido rapidamente a losventrıculos para despolarizar la musculatura ventricular.

Un ritmo cardiaco normal depende del desempeno continuodel marcapasos y de la integridad de las vıas conductorasneuronales. Cualquier cambio en el ritmo normal (denominadoNSR de sus siglas en ingles normal sinus rythm) se denominaarritmia. Tambien, en el caso de que el corazon sea estimuladoa una velocidad menor de la normal, la cual se encuentraentre 30 y 50 latidos por minuto (BPM) se presenta unacondicion denominada bradicardia en la cual el corazon nopuede bombear la suficiente sangre para suplir las demandas

Gefry A. Castro, Estudiante Ingenierıa Electronica, Universidad Dis-trital Francisco Jose de Caldas Codigo: 20092005059, e-mail: gacas-troj@correo.udistrital.edu.co

del cuerpo. Durante el periodo de transicion de un ritmonormal a uno lento, mareos y perdida de la conciencia puedenocurrir debido a la disminuida salida cardiaca.

Existe tambien la posibilidad de que ocurra un bloqueocardiaco, en el cual el sistema de conduccion no envıa losimpulsos de estimulacion desde el atrio hasta a los ventrıculosde manera apropiada. Existen bloqueos de primer orden,en donde un tiempo mayor de 0.2 segundos ocurre en elintervalo P-R. de segundo orden y de tercer orden, en dondelos ventrıculos se siguen contrayendo pero a una velocidadmenor de 40 BPM. En todas estas condiciones, un metodoartificial de estimulacion es requerido para asegurar que elcorazon funcione a una velocidad suficiente para mantener unaadecuada circulacion.

III. EL MARCAPASOS Y SU FUNCIONAMIENTO

Un dispositivo capaz de generar impulsos de estimulacionartificial y entregarlos al corazon es conocido como unsistema marcapasos (llamado comunmente marcapasos)y consiste en un generador de pulsos y unos electrodosapropiados. Los marcapasos se encuentran disponibles envariedad de formas. Existen marcapasos internos los cualesson implantados a pacientes cuyo nodo sino-auricular hafallado o en casos donde un ataque cardiaco haya generadoun bloqueo cardiaco.

En resumen, un marcapasos es un pequeno aparatoelectronico que trabaja con baterıas (como se muestra en lafigura 2), el cual se inserta bajo la piel para ayudar a queel corazon lata regularmente y a una frecuencia apropiada.Un marcapasos generalmente tiene dos partes: el generadory las derivaciones. El generador es donde se almacena labaterıa y la informacion para regular el latido cardıaco ylas derivaciones son los cables que van desde el generador,a traves de una vena principal, hasta el corazon donde seconectan. Las derivaciones envıan los impulsos electricos alcorazon para indicarle que debe latir.

La baterıa puede durar de 7 a 8 anos en promedio y elmedico la monitorea rutinariamente y la reemplaza cuandoes necesario. Con el paso de los anos, los generadores se hanhecho mas pequenos y a menudo pesan menos de 30 gramos.

El marcapasos puede usualmente percibir si el latidoesta por encima de cierto nivel, en cuyo caso se apagaautomaticamente y, de la misma manera, puede percibircuando el latido se vuelve muy lento, en cuyo caso seenciende automaticamente y comienza a funcionar de nuevo.

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Figura 1: Esquema de un marcapasos

III-A. Tipos de Marcapasos

La estimulacion electrica de un marcapasos puedeser temporal o permanente, dependiendo de si el origen deltrastorno que llevo a su utilizacion es reversible o permanente.Muchas veces el marcapasos temporal, colocado de formarapida en situacion de emergencia es un puente intermedio alpermanente.

En los marcapasos temporales, el generador no esta implan-tado en el paciente y pueden ser de diferentes tipos. Existenlos transcutaneos, donde los electrodos se colocan sobre lapiel, uno en la parte anterior del anterior del torax (electrodonegativo) y otro en la espalda (electrodo positivo, rojo). Existetambien el Intravenoso, donde los electrodos son colocados atraves de una vıa central hasta contactar con el endocardio.Ası como el transtoracico cuyos electrodos son directamentecolocados en las paredes auricular y/o ventricular durante lacirugıa, que luego se conectan a un generador externo.

Figura 2: Esquema de un marcapasos

Ahora en el caso de los marcapasos permanentes el genera-dor se implanta subcutaneamente y existen principalmente dostipos. Los transvenosos en los cuales los electrodos se colocana traves de una vena subclavia y se implantan en aurıculay/o ventrıculo derecho. El generador se coloca subcutaneo enla region infraclavicular. Y los internos cuyos electrodos secolocan directamente en la pared auricular y/o ventricular, elgenerador se coloca subcutaneo en la pared abdominal.

IV. HISTORIA

A continuacion se explicara de manera muy resumida unaresena historica del marcapasos, basado en la conferenciadada por el Ingeniero Jorge Reynolds [3].

Despues de la comprension y manipulacion de la actividadelectrica, su vinculacion con la biologıa y el entendimientode las reacciones de los organismos a los diferentes estımuloselectricos se volvio cada mes mas importante.

En 1932 Albert Hyman invento el primer marcapasosque funcionaba mediante la accion de una manivela; estedispositivo jamas llego a ser implantado. Pero Hyman teniala idea de que la electricidad podrıa remediar problemascardıacos.

En 1952 Paul Zoll creo el primer marcapasos externo, cuyoselectrodos generaban altos voltajes que como consecuenciaproducıan contracciones fuertes en el area del torax. Estemarcapasos solo podıa funcionar durante 45 minutos con locual el paciente fallecıa despues de dicho tiempo.

En 1957 el ingeniero Jorge Reynolds en la UniversidadNacional, realizaron investigaciones sobre el corazon y suapreciacion como un sistema electrico. Tambien se asociaronlos problemas de bloqueo atrio-ventricular a un procesoelectrico cuya solucion serıa la utilizacion de un sistemaartificial.

En ese mismo ano, se da comienzos a la fundacion ABOODSHAIO en donde se realizarıa en 1958 el primer implante demarcapasos, despues de ser el Ingeniero Reynolds, persuadidopor sus colegas. Dicho marcapasos pesaba alrededor de 45Kg y funcionaba con una baterıa de automovil de 12 Voltios(del mismo auto de Reynolds). Este paciente logro vivir algomas de cien anos.

En 1958 se implanta el primer marcapasos completoen Suecia a un paciente de 48 anos. En 1960 ya con lacomercializacion de los transistores, aparecen los primerosmarcapasos basados en esta tecnologıa, y funcionaban conbaterıas de 9 Voltios que debıan ser cambiadas cada 15 dıas.

Luego con el mejoramiento en la fabricacion de marcapasos,la empresa telectronis crea el primer marcapasos en microcir-cuito. A lo que companıas como Medtronic las cuales se handestacado en el transcurso de los anos en la fabricacion demarcapasos.

V. ULTIMOS AVANCES

En Diciembre de 2013 la empresa Medtronic anuncio eltrasplante de su nuevo marcapasos, el “Micra TPS” el cualse coloca directamente en el corazon mediante un cateterinsertado en la vena femoral. Una vez colocado el marcapasosqueda enganchado a la pared del ventrıculo derecho y puedere ubicado en casos de ser necesario.

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Este dispositivo no requiere el uso de cables que conectenel marcapasos con el corazon, y el “Micra TPS” mandaimpulsos electricos a traves de un electrodo que esta colocadoen el propio dispositivo.

Figura 3: Imagen del Micra TPS

A principios del ano 2014 un grupo de investigadoresdisena un nuevo implante con nanomateriales que extraensuficiente electricidad de los organos como para alimentarun marcapasos. Este avance puede transformarlos implantesmedicos.

El nuevo sistema se ha probado en corazones, pulmones ydiafragmas de vacas, ovejas y cerdos, cuyos organos tienenunas dimensiones similares a los de los humanos. Es laprimera vez que un dispositivo ası se usa en animales de estetamano y los resultados indican que el implante es capaz degenerar hasta ocho voltios, es decir, suficiente energıa comopara mover un marcapasos convencional.

Aunque los marcapasos y otros dispositivos han mejoradomucho su eficiencia en los ultimos anos, todavıa es necesariocambiarles las baterıas antes de que se agoten. Esto sucedecada 10 anos aproximadamente y requiere una operacionquirurgica. La nueva generacion de implantes como el actualpodrıa evitar o retrasar esa intervencion y dejar que lospropios organos generasen la electricidad que necesitan losimplantes de forma limpia.

El implante se basa en un material piezoelectrico, loque significa que cuando se dobla genera electricidad. Enconcreto se trata de capas nanometricas de un materialllamado circonato titanato de plomo que se adhieren enuna base de silicona. Esto permite pegarlos cerca de losventrıculos de un corazon o los pulmones, tal como muestranlos vıdeos del estudio. Cuando el corazon se contrae paralatir, el material se dobla y genera electricidad. El nuevomodelo, senala el estudio, es hasta cinco veces mas eficienteque otros probados en estudios anteriores con animales. Elsistema tambien incluye un chip como rectificador y unaminuscula baterıa recargable.

Pero un concepto que se encuentra en un nivel superiores el denominado nanomarcapasos creado por el ingenieroColombiano Jorge Reynolds Pombo.

Figura 4: Generacion Piezoelectrica

Figura 5: Nanomarcapasos

Actualmente se tienen los primeros prototipos yproximamente comenzaran los trabajos experimentalesen animales, para posteriormente utilizarlo en personas, enunos cinco anos. Otra de las ventajas sera su costo, ya quede 12.000 Dolares que cuesta hoy un marcapasos, el nuevopodra estar alrededor de los 1.000 Dolares, haciendolo masaccesible para las personas de menores recursos economicos.

Hasta el momento cerca de 73 millones de personas en elmundo se han beneficiado con el marcapasos, desde aquellosprimeros que invento este colombiano, los cuales pesabancasi 50 kilos y que funcionaban con una baterıa de automovil,hasta el que existe hoy, no mayor a tres monedas, o el quecomenzara su etapa de experimentacion, que medira la cuartaparte de un grano de arroz.

Este dispositivo, que aun tiene algunos inconvenientes conla fabricacion debido al proceso de las nanotintas abrira elcampo de accion para muchas aplicaciones y para muchosingenieros electronicos.

Sin embargo cabe destacar que el auge en la investigacionsobre la ingenierıa de tejidos abre la posibilidad de no tenerque usar un marcapasos, sino que por el contrario cabria laposibilidad de implantar un corazon nuevo en un paciente apartir de sus celulas madres. Toda una revolucion, esperemosque la humanidad sepa manejar y llevar para bien todo estanuevo panorama de avances cientıficos.

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REFERENCIAS

[1] Cromwell Leslie, Fred J. Weibel, Erich A. Pfeiffer Biomedical Instru-mentation and Measurments, Prentice Hall, 1980.

[2] Grupo de Bioinstrumentacion y Procesamiento de Senales El Marcapasos,Descripcion y Tipos http://bioinstrumentacion.eia.edu.co/

[3] Eventos Maloka, Conferencista: Ingeniero Jorge Reynolds Marcando elPaso Marzo 5, 2014

[4] http://noticias.lainformacion.com/salud/especializaciones-medicas/medtronic-anuncia-el-primer-implante-en-personas-del-marcapasos-mas-pequeno-del-mundo-el-micra-tps cHIxTgYWCZkzVdtGDaBIN5/

[5] http://www.dinero.com/actualidad/articulo/crean-nanomarcapasos-mas-pequeno-grano-arroz/133715

[6] http://es.engadget.com/2014/01/23/marcapasos-alimentados-por-los-latidos-del-corazon/