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Desfibriladores (MA011)

Artigo produzido com base em documentação fornecida pela Texas Instruments

Recentes casos de atletas que morrem em plena atividade, por problemas de fibrilação, mostram a necessidade de se ter sempre ao alcance um desfibrilador, quando atividades físicas intensas, principalmente em esportes praticados em grupos, ocorrem. O que é um desfibrilador e como funciona será o assunto desse artigo que tanto analisa o funcionamento do coração, o que é a fibrilação ventricular e como salvar vidas com um desfibrilador. A parte prática, com bases para um projeto de desfibrilador é feita a partir de documentação da Texas Instruments.

 

O coração humano é uma “máquina” extremamente delicada, sujeita a falhas, algumas das quais devido a pré-disposições que tanto podem ter fundos patológicos como genéticos.

Para o médico que trata com pessoas sujeitas a atividades intensas, por exemplo, esportes, a possibilidade de se deparar com uma falha desse órgão não é algo que deva ser desprezado.

Os casos de atletas, mortos em plena atividade por problemas do coração, mostram que é preciso redobrar os cuidados contanto com recursos que permitam um socorro rápido caso um acidente cardio-vascular ocorra.

Um dos problemas que abordamos nesse artigo é justamente a fibrilação, que exige a rápida ação de um equipamento denominado “desfibrilador” que nada mais é do que um gerador de alta tensão capaz de estimular o coração com problemas.

Para entender como esse desfibrilador funciona e que tipo de “choque” ele produz, será preciso entender em primeiro lugar, como o coração funciona.

É justamente desse ponto que partimos em nosso artigo que pode ser de grande utilidade para os leitores que desejarem fabricar esse equipamento, preenchendo uma lacuna de nossa indústria, que infelizmente só pode contar com tipos onerosos, nem sempre ao alcance da maioria das equipes esportivas, centros de atividades ou outros em que sua presença poderia salvar vidas.

 

 

Figura 1 – Um desfibrilador portátil

 

 

Como Funciona o Coração

Conforme mostra a figura 2, o coração humano tem quatro câmaras. As duas câmaras superiores são denominadas átrios (esquerdo e direito) e as duas câmaras inferiores são denominadas ventríloquos (esquerdo e direito).

 

Figura 2 – Nosso coração.

 

O coração funciona como uma bomba, recebendo o sangue  pelas câmaras atriais de diversas partes do corpo, passando o sangue para os ventrículos que o bomba para o corpo de volta.

Os átrios têm uma função importante que é pressionar o sangue para que ele passe para os ventrículos de onde são finalmente bombeados para o resto do organismo, funcionando assim como uma pré-bomba enchendo os ventrículos de sangue para que eles o passem adiante com sua ação.

Todas as células do coração (exceto as das válvulas) batem ritimadamente por sua própria conta quando alimentadas devidamente com nutrientes e supridas de oxigênio.

Podemos dizer que o batimento é produzido pela movimentação de íons através das membranas da células, através de um efeito semelhante ao de uma faísca num sistema de ignição de carro.

O batimento, que depende da quantidade de sangue que o organismo precisa, por exemplo, mais quando fazemos um esforço físico, depende de um “clock” externo ou de um sincronismo, que é produzido por um grupo de células na parte superior do coração denominadas sinus nodo.

Os estímulos produzidos por essas células se propagam rapidamente  por todas as células do coração fazendo com que elas batam sincronizadamente. Esse estímulo demora de 50 a 100 milisegundos para percorrer o coração de um extremo a outro.

No entanto, esse estímulo atua apenas nas câmaras superiores, não passando para as câmaras inferiores, pois elas são isoladas eletricamente.

Um pequeno grupo de células denominado nodo AV faz a conexão dos impulsos da parte superior transmitindo-os para a parte inferior. Esse nodo serve também como uma espécie de “circuito de retardo”, dando tempo para que o sangue passe da parte de cima para a de baixo, e somente depois a parte de baixo (ventrículos) entrem em ação.

Tudo seria excelente se todo o circuito de controle e as células que determinam o batimento do coração funcionassem sempre bem, mas não é isso que ocorre.

 

 

O que é a Fibrilação Atrial e Ventricular

Um estudo feito nos Estados Unidos, mostra que mais de 20 milhões de americanos têm problemas de fibrilação.

Na fibrilação atrial, o que ocorre é que em determinadas pessoas algumas células do átrio desobedecem ao comando de sincronização saindo do ritmo de batimento necessário ao bom funcionamento do coração.

Todos nós algumas vezes já experimentamos a sensação de ter o coração batendo fora de ritmo, mas na maioria dos casos, isso dura apenas uns poucos segundos.

Quando isso ocorre, as células batem desordenadamente produzindo ondas de contração e distensão chegando de 250 a 500 vezes por segundo.

Isso significa que a câmara atrial simplesmente estremece impedindo o bombeamento do sangue de forma eficiente. O resultado é uma interrupção da circulação com conseqüências que podem ser fatais.

Segundo estimativas, 15% de todas as mortes que ocorrem tem causa na fibrilação atrial que impede a circulação de sangue pelo cérebro.

No caso da fibrilação ventricular ou “V fib” como também é chamada, a atividade nos ventrículos é que se torna desordenada, produzindo um batimento cardíaco muito rápido.

Para fazer voltar o batimento ao normal, utiliza-se um dispositivo que, através de um choque, faz com que as células sejam sincronizadas novamente.

Além do aparelho de uso externo, também existem dispositivos implantáveis, denominados desfibriladores - cardioverter que entra em ação quando o problema é detectado.

A fibrilação ventricular, como a atrial, é extremamente séria podendo facilmente levar à morte, a não ser que uma ação rápida através de recursos apropriados esteja disponível.

 

 

O Desfibrilador

O comando das células que controlam o batimento do coração é feito por impulso elétricos que se propagam pelo sistema nervoso e pelas próprias células.

Quando o problema da fibrilação ocorre, os impulsos elétricos se tornam também desordenados. A presença de pulsos externos de sincronização com uma intensidade maior pode trazer de volta as células ao funcionamento normal. É exatamente essa a função do desfibrilador.

O que o desfibrilador faz é produzir pulsos de alta tensão num ritmo e com uma intensidade que possam induzir as células com o funcionamento desordenado a um funcionamento normal.

Através de eletrodos especiais, colocados junto ao coração da pessoa afetada, aplicam-se pulsos de alta tensão, conforme mostra a figura 3.

Figura 3 – Utilizando o desfibrilador.

 

Observe que é preciso que os pulsos aplicados tenham características apropriadas, em alguns casos até sincronizados com a parte do coração que ainda está em funcionamento normal.

O projeto de um equipamento que produza tais pulsos não é tão simples, se quisermos ter uma eficiência elevada.

A disponibilidade de componentes apropriados que possam gerar os estímulos de modo eficiente é fundamental para se obter um equipamento de alta confiabilidade. A seguir daremos algumas informações sobre um projeto eficiente, baseados em literatura da Divisão Médica da Texas Instruments. Os leitores podem obter mais informações sobre os circuitos apropriados no próprio site da Texas em www.ti.com.

 

 

Projetando um Desfibrilador

O projeto de um desfibrilador exige dos fabricantes responsabilidade para assegurar que seus sistemas fiquem de acordo com as normas de segurança que regem as suas características.

O que descrevemos a seguir é indicado apenas como referência para os que desejam desenvolver um projeto de um desfibrilador.

O AED (Automated External Defibrilalator ou Desfibrilador Automático Externo) consiste num equipamento sofisticado baseado em microprocessadores cuja finalidade é o socorro a pacientes que tenham problemas de desfibrilação.

O circuito, conforme mostra o diagrama de blocos da figura 4 captura e faz a análise do ECG (Eletrocardiograma) do paciente de modo a identificar quais são os rítmos que devem ser submetidos a um choque externo, informando o operador como ele deve fazer isso.

 

Figura 4 – Diagrama de blocos de um desfibrilador.

 

O aparelho contém ainda uma fonte de alta tensão, um capacitor de armazenamento, um indutor opcional e eletrodos para serem colocados no paciente.

O circuito carrega então o capacitor com uma alta tensão e informa o operador quando ele deve pressionar o botão para aplicar o pulso ao paciente.

A intensidade do pulso aplicado, que vai despolarizar as células causadoras do batimento irregular, depende da carga do capacitor e da resistência da péle do paciente.

Orientações médicas e mesmo algumas disposições legais exigem que o AED grave o som ambiente e o sinal obtido do paciente durante o socorro, para uma eventual análise posterior do evento.

Os sinais de entrada do AED vêm de eletrodos colocados no paciente, o que exige o uso de um amplificador para instrumentação. Esse amplificador deve operar com sinais de intensidades menores do que 10 mV (tipicamente na faixa de 0,1 mV a 10 mV) com uma impedância de entrada extremamente alta (maior que 5 M ohms).

A faixa de freqüências de reposta desse amplificador deve ser plana de 0,1 Hz a 100 Hz com uma CMRR maior do que 100 dB.

A outra entrada do equipamento é a entrada do microfone para gravar o som no local do socorro. A maioria dos equipamentos comerciais usam um ADC de 16 bits para digitalizar o sinal, com uma faixa passante típica de 8 kHz, possibilitando assim sua gravação na forma digital.

Uma relação sinal/ruído de pelo menos 50 dB é necessária para os sinais de 0,1 Hz a 100 Hz e de pelo menos 65 dB para a gravação do som ambiente.

Na figura 5 temos a forma de onda típica do sinal que deve ser produzido por um AED.

 

Figura 5 – Formas de onda gerada por um AED.

 

 

Dispositivos Texas para Essa Aplicação

A Texas Instruments conta com uma linha de dispositivos semicondutores ideais para projetos de desfibriladores, como o indicado..

O primeiro dispositivo indicado é o TLV320AIC20 que consiste num Codec de dois canais programável de baixa potência de 16 bits com uma velocidade de amostragem de 26 kSPS.

Temos também os processadores OMAP para aplicações médicas OMAP5910 e OMAP5912.

No projeto entram ainda os UCC38C4x que consistem em controladores PWM no modo corrente para aplicações de baixa potência e eficiência melhorada.

A aquisição de dados com baixo nível de ruído pode ser feita com o MSC1210, e as referências de tensão com os dispositivos da série REF31xx.

 

 

Conclusão

Com a utilização de dispositivos especialmente projetados para aplicações médicas além de outros que complementam suas funções o projeto de desfibriladores é simplificado, além de possibilitar a obtenção de equipamentos seguros e eficientes.

Nesse artigo demos uma pequena idéia do que são e o que fazem esses importantes equipamentos de uso médico.

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