Este documento describe un diseño experimental para determinar la forma de onda óptima para la desfibrilación. El diseño consiste en tres partes: 1) realizar descargas en corazones de animales inmersos en solución fisiológica para determinar la configuración de corriente que produce el umbral mínimo de eficacia, 2) desarrollar un modelo matemático del tórax humano para simular el flujo de carga eléctrica, y 3) mejorar el modelo de membrana celular considerando su no linealidad. La forma

1. Diseño experimental para la
determinación de la Forma de Onda
Óptima de Desfibrilación
Ing. Gustavo Ernesto Carranza
Coordinador Comisión de Bioingeniería
Colegio de Ingenieros Especialistas de Córdoba
bioingenieria@ciec.com.ar
Colabroraciones:
Bioingenieros
Pablo Palacios
Luciano Gentile
Fundación Favaloro
Doctor Elmer Fernández
Universidad Católica de Córdoba

2. BIOINGENIERO
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3. Es un dispositivo que libera energía eléctrica
despolarizando las células cardiacas y permitiendo
reiniciar una actividad eléctrica normal..
En caso de Fibrilación o Taquicardia Ventricular seEn caso de Fibrilación o Taquicardia Ventricular se
realiza la Desfibrilación Manual.realiza la Desfibrilación Manual.
La CardioversónCardioversón o DESFIBRILACIÓN
SINCRONIZADA se indica en el tratamiento de
otras arritmias tales como la fibrilación auricular.fibrilación auricular.
DESFIBRILADORDESFIBRILADOR
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4. Ondas BifásicasOndas Bifásicas
Exponencial bifásica truncada. Compensa variaciones
de impedancia por tiempo y/o por tensión.
Exponencial Bifásica Rectilínea. Compensa variación
de impedancia con resistores que se conmutan a lo
largo de la primera fase.
Corriente Controlada. Presenta corriente y
duraciones constantes, independientes de la
impedancia, pero no contempla los potenciales de
membrana
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5. Exponencial Bifásica Muestreada:
Compensa variaciones de impedancia controlando el
ancho de pulsos. Mide impedancia para calcular luego
la compensación necesaria. El ancho de todos los
pulsos es fijado al inicio de la descarga.
Bifásica de Impedancia Automáticamente Compensada:
Utiliza la técnica del muestreo pero cada pulso se
ajusta automáticamente para compensar la
impedancia paciente equivalente en cada instante.
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Ondas BifásicasOndas Bifásicas

6. IMPEDANCIA
PACIENTE
Un concepto clave
• El concepto de impedancia es clave para
evaluar la forma de onda.
• La impedancia se define como un factor
invariante en el tiempo que relaciona
linealmente las magnitudes Tenisón y
Corriente: V=RxI
• Ninguna de las dos condiciones se cumple en
el caso de tejido vivo.
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7. El Modelo de la Membrana
Celular
• Es el concepto más adecuado hasta el momento para la
interpretación del mecanismo de la desfibrilación.
• Establece que la membrana se comporta como un circuito RC
(resistencia + capacitor)
• El éxito de la desfibrilación se asocia con la obtención de un
potencial determinado en casi todas las células del miocardio
ventricular.
• La ventaja de la desfibrilación bifásica se asocia con la restauración
del potencial de reposo en todas las células del miocardio
ventricular al finalizar la descarga.
• La constante de tiempo de membrana es la clave para ajustar la
amplitud y duración de ambas fases en pos de alcanzar el potencial
umbral en la primera fase y la restauración a potencial de reposo
en la segunda fase.
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8. La membrana celular es, simplificando, un dieléctrico entre dos
medios conductores, es decir, un capacitor. La resistividad del medio
conductor y el espesor determinarían la Constante de Membrana.
http://cellbiology.med.unsw.edu.au/units/images/Cell_membrane.png
Esta aproximación no tiene en cuenta el fenómeno de
electroporación, que consiste en el traspaso de iones a través de la
membrana impulsados por el campo eléctrico, y es marcadamente
no lineal.
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El Modelo de la Membrana
Celular

9. • Si incorporamos la no linealidad introducida
por el fenómeno de Electroporación en el
Modelo de Membrana podemos explicar el
hecho de que, en experiencias de células en
medio conductor, las constantes de tiempo
son menores a medida que aumenta la
tensión aplicada.
El Modelo de la Membrana
Celular

10. El control de la Carga Eléctrica
• La eficacia está asociada al control de la carga eléctrica
administrada al miocardio en función del tiempo. Es decir:
• La dosis apropiada debe medirse en carga eléctrica y no en
energía. Esto marca la principal diferencia en la tendencia. La
energía es un indicador del riesgo de daño y no de la eficacia
de la forma de onda.
• El control de la carga, en todos los equipos en que esto ocurre,
se da de manera indirecta, midiendo impedancia y ajustando
parámetros de la descarga para contemplarla.
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11. • La forma más eficaz posible para lograr el objetivo es el
control directo de la variable que se desea controlar.
• En este principio se basa la Compensación Automático de
Impedancia Paciente sin medición de impedancia.
• Este principio permite también diseñar equipos cuya forma
de onda sea configurable por software, lo que le permitirá al
equipo fabricado ser actualizado sin ninguna dificultad sin
modificación alguna de hardware.
El control de la Carga Eléctrica
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12. Potencial de Membrana durante una descarga bifásica rectangular
ajustada con Tm=3,5ms en el modelo lineal.
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13. Forma de Onda Óptima
• De las evidencias acumuladas hasta el momento
podemos proponer la siguiente definición:
• La forma de onda óptima de desfibrilación es aquella
que produce la reversión de la arritmia que se está
tratando con la mínima energía posible.
• También podemos afirmar que dicha forma de onda
debe caracterizarse por la configuración temporal de
transferencia de carga en función del tiempo y que su
duración está fuertemente correlacionada con la
llamada Constante de Tiempo de Membrana Celular.
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14. Energía necesaria para una
onda rectangular
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15. Energía necesaria para una
onda Trapezoidal Exponencial
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16. Energía necesaria para una
onda Exponencial Truncada
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17. Forma de Onda Óptima
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• El modelo de resistencia de membrana invariante tampoco es
compatible con esta evidencia experimental.
• Si contemplamos la no linealidad introducida por la
electroporación, podemos decir que los niveles elevados de
tensión iniciales de las formas de onda rectangular, y peor
aún, exponencial truncada producen importante pérdida de
energía en la primera parte de la onda.

18. El Diseño experimentalEl Diseño experimental
• El diseño experimental que bosquejamos
consiste en al menos cuatro partes, las tres
primeras pueden encararse simultáneamente
y una tercera que debe ser necesariamente
posterior.
• Las tres primeras partes permitirían
determinar la forma de onda óptima y la
cuarta sería su validación clínica.
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19. Descargas en SoluciónDescargas en Solución
FisiológicaFisiológica
• La primera etapa experimental consiste en tomar un
corazón animal in vivo y latiendo inmerso en solución
fisiológica. Sobre este corazón se inducen
fibrilaciones y se determina el umbral de 50% de
eficacia según el método Up and Down de Dixon
para distintas ondas previamente seleccionadas.
• De esta etapa obtenemos la configuración de
corriente en función del tiempo que produce el
mínimo umbral de 50% de eficacia.
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20. Descargas en SoluciónDescargas en Solución
FisiológicaFisiológica
• La implementación de un modelo experimental para corazón
aislado se deberá basar en la preparación de Langendorff. Esta
técnica consiste en prefundir las arterias coronarias a través de
una cánula de perfusión retrógrada insertada en la aorta. Cuando
se alcanza una presión adecuada de líquido (bien puede ser
sangre o una solución nutriente), se cierra la válvula aórtica y se
desvía el flujo hacia los orificios de las coronarias. De este modo
se perfunde la masa ventricular y el corazón late en vacío.
Además, se puede utilizar un balón intraventricular colocado en
el ventrículo izquierdo, para poder realizar mediciones de
presión ventricular y estimar índices de contractilidad, entre
otros parámetros asociados.
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21. Descargas en SoluciónDescargas en Solución
FisiológicaFisiológica
Se deberá contar con un baño termostatizado, o algún medio para
calefaccionar este líquido. También es deseable poder calefaccionar a
37°C la solución a prefundir en las arterias coronarias.
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22. Descargas en SoluciónDescargas en Solución
FisiológicaFisiológica
• Una limitante de este modelo experimental es el tiempo
disponible para realizar el ensayo. El flujo coronario en reposo
se encuentra entre 0.6 y 1 ml/min/g. Para un corazón de
200g. se deberá establecer un flujo de aproximadamente
200ml/min. Esto es una limitante en el caso de utilizar sangre
animal. Para un corazón de 100g de peso y utilizando una
unidad de sangre (500ml aprox.), el tiempo disponible para el
ensayo es de 5 minutos. La alternativa de utilizar una solución
de perfusión (solución de Tyrode, p. ej.) permitiría extender el
tiempo del ensayo.
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23. Modelo de Membrana CelularModelo de Membrana Celular
• Dado que el modelo actual de constante de tiempo de
membrana invariante a la amplitud del campo eléctrico no se
corresponde con la evidencia experimental, pese a ser el
mejor modelo disponible, proponemos incorporar resistor no
lineal en el modelo, contemplando el fenómeno de
electroporación, y ajustarlo de acuerdo con los resultados
experimentales.
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24. Modelo Matemático delModelo Matemático del
TóraxTórax
• La segunda etapa que planteamos para este
diseño experimental es la preparación de un
modelo matemático del tórax humano que
permita simular el flujo de carga eléctrica a
través del corazón dada una forma de onda
aplicada. De esta manera podemos extrapolar
la forma de onda obtenida
experimentalmente en el corazón in vivo a la
onda necesaria para un desfibrilador externo.
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25. Modelo Matemático delModelo Matemático del
TóraxTórax
• Un problema que es necesario resolver
además es el de la correlación entre el
corazón o corazones animales utilizados en la
parte uno con el corazón humano. Este
problema también puede ser tratado bajo la
metodología de la modelización matemática
de los mismos.
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26. Validación ClínicaValidación Clínica
• Del proceso descripto en las partes uno y dos
puede obtenerse una versión de Forma de
Onda Óptima que debe ser validada
clínicamente para ser aprobada. Este aspecto
de la investigación queda fuera de nuestro
propósito por ahora.
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27. BibliografíaBibliografía
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