Fig. 1: Monitor Desfibrilador de una ambulancia en Austria. CC BY-SA 2.5 via Wikimedia Commons Los desfibriladores son dispositivos utilizados para suministrar una fuerte descarga eléctrica a un paciente en un esfuerzo por convertir trastornos del ritmo cardíaco excesivamente rápidos e ineficaces en ritmos más lentos que permiten al corazón bombear más sangre. Los desfibriladores externos se han utilizado comúnmente durante muchas décadas para el tratamiento de emergencia de ritmos cardíacos potencialmente mortales, así como para el tratamiento electivo de ritmos rápidos menos amenazantes.

La arritmia más grave tratada por un desfibrilador es la fibrilación ventricular. Sin un tratamiento rápido mediante un desfibrilador, la fibrilación ventricular provoca una pérdida completa de la función cardíaca y la muerte en cuestión de minutos. La fibrilación auricular y los ritmos más organizados de aleteo auricular y taquicardia ventricular pueden tratarse en un plazo menos urgente. Aunque no causan una muerte inmediata, la reducción del intervalo entre las contracciones puede dificultar el llenado de las cavidades cardíacas y, por lo tanto, disminuir el gasto cardíaco.

Convencionalmente, el tratamiento de la fibrilación ventricular se denomina desfibrilación, mientras que el tratamiento de las otras taquicardias se llama cardioversión.

La desfibrilación es una parte del procedimiento de reanimación cardiopulmonar (RCP) de emergencia. Se aplica junto con la compresión torácica y la ventilación artificial.

Fig. 2: Algunos tipos de onda ECG.

El desfibrilador administra un pulso eléctrico controlado de alta energía a través de dos paletas (electrodos) que se colocan en el pecho del paciente. El tratamiento depende en gran medida de la energía del pulso. La energía se expresa en julios (J) y es el producto de la tensión (V), la corriente (I) y el tiempo (t).

La descarga eléctrica puede alcanzar los 5,000 V con una corriente de aproximadamente 20 A. Estos valores extremadamente altos son necesarios porque la duración del pulso es solo de unos pocos milisegundos y, por definición, un desfibrilador debe ser capaz de suministrar 360 J. Sin embargo, dado que no siempre es necesario el máximo poder, el operador puede ajustar el valor de salida a energías más pequeñas.

Por ejemplo un desfibrilador monofásico con un capacitor de 35 uF y 4540 V entrega:

$$ E=\frac{1}{2}C\ast V^{2}=\frac{1}{2}35\ast10^{-6}\ast 4540^{2}=360.7 [J] $$

$$ F=\frac{C}{V}=\frac{A\ast s}{V} \rightarrow E\frac{A\ast s}{V}\ast V^{2}= W\ast s$$

El circuito básico de un desfibrilador consta de una fuente de alimentación de alto voltaje, un condensador grande como almacenamiento de energía, un relé para cambiar de carga a descarga, una unidad de control, un ECG y las dos paletas.

Una fuente de alimentación de alto voltaje (HVPS) comienza a cargar el condensador de alto voltaje (normalmente de 15 μF a 40 μF) cuando se presiona el botón de encendido S1. La tensión de carga depende de la posición del interruptor rotativo de energía S2. Por lo general, se pueden configurar energías entre 2 J y 360 J, lo que corresponde a una tensión de carga entre 300 V y 5,000 V.

Fig. 3: Circuito básico monofásico de un desfibrilador.

Cuando el condensador está completamente cargado, se puede descargar presionando el botón S3. Luego, el relé de alto voltaje R cambia y conecta el condensador a través de la bobina L y las paletas al paciente. Debido a la baja impedancia del cuerpo humano (50 Ω - 150 Ω), los condensadores se descargan rápidamente. La bobina (normalmente 50 mH) se utiliza para crear una forma de onda más fisiológicamente correcta y para prolongar la duración del flujo de corriente (3 - 10 ms).

Mediante la utilización de un microcontrolador se puede gatillar la descarga del desfibrilador una vez el capacitor se encuentre cargado. Se puede monitorear la carga del capacitor mediante un divisor de tensión entre las terminales del capacitor y la corriente entregada al paciente se monitorea mediante un segundo inductor. De esta manera, una vez se entrega la energía requerida al paciente, el microcontrolador corta la energía al relé (onda exponencial truncada).

Fig. 4: Circuito monofásico mejorado.

Fig. 5: Paddles de repuesto para el LIFEPAK®20e de Stryker.

Las paletas de un desfibrilador se utilizan para administrar descargas eléctricas al corazón de un paciente que está experimentando arritmias potencialmente mortales, como la fibrilación ventricular o la taquicardia ventricular. El contacto de las paletas tiene una baja resistencia, dado que se necesita una buena conducción eléctrica. Las paletas requieren tener una alta aislación desde los electrodos a las zonas de contacto con el operador, asegurando que no se toquen los puntos de contacto por accidente.

Por lo general la estructura es robusta, hecha con plástico. Las paletas suelen ser de forma rectangular o cuadrada, con un tamaño adecuado para cubrir una parte significativa del tórax del paciente (aproximadamente el tamaño de un smartphone). Esto permite una distribución uniforme de la energía eléctrica a través del músculo cardíaco.

Por seguridad cada uno de los paddles cuenta con su propio botón de descarga, los cuales deben ser pulsado al mismo tiempo. Para mejorar la superficie de contacto y reducir la resistencia de la piel, se utiliza un gel conductor sobre las paletas antes de posicionarlas en el paciente. Este gel permite proteger al paciente de quemaduras.

Las paletas se deben posicionar con firmeza sobre el cuerpo del paciente, ejerciendo una fuerza de 10 a 15 Kg. También se activa un indicador de advertencia de contacto deficiente de las paletas cuando la impedancia del paciente supera los 100 Ω.

La American Heart Association (AHA) recomienda dos formas básicas de posicionar los electrodos al tratar a víctimas adultas: anterior-lateral y anterior-posterior. Cuando se colocan los electrodos anterior-lateralmente, es decir, en la parte frontal, un electrodo se coloca en la parte superior derecha del torso de la víctima, arriba del pezón derecho, justo debajo de la clavícula, y el otro (lateral) electrodo debe alinearse con la parte inferior del músculo pectoral en un paciente masculino o debajo del seno en una paciente femenina.

Fig. 6: Posicionamiento Anterior-lateral.

Alternativamente, los socorristas pueden optar por colocar los electrodos en una posición anterior-posterior, es decir, en la parte frontal y en la parte posterior. Se coloca el electrodo posterior a la izquierda de la columna vertebral, justo debajo de la escápula, a la altura del corazón. Y se coloca el electrodo frontal sobre el ápice cardíaco, entre la línea media del pecho y el pezón en un paciente masculino o debajo del seno en una paciente femenina.

Fig. 7: Posicionamiento Anterior-posterior.

Los niños que sufren un paro cardíaco se tratan de la misma manera que los adultos, con una diferencia significativa. Debido a que los niños requieren menos energía durante la desfibrilación, la corriente suministrada debe ser atenuada o reducida mediante el uso de electrodos especialmente diseñados para niños. Por esta razón, la AHA recomienda que cualquier niño menor de 8 años sea desfibrilado utilizando electrodos pediátricos.

También es importante que los electrodos no se superpongan ni entren en contacto durante la desfibrilación. Para garantizar una desfibrilación pediátrica segura, la mejor ubicación para los electrodos es la configuración anterior-posterior (frontal-posterior). Un electrodo se coloca en la parte frontal (anterior) de la pared del pecho y el otro en el centro de la espalda (posterior) del niño.

Fig. 8: Posicionamiento anterior-posterior para pacientes pediátricos.

Se suele trabajar con capacitores con capacidad de 15 a 100 uF, con un voltaje de prueba 2 kV (bifásico) a 5 kV (monofásico). Como medida de seguridad, siempre se debe verificar que se encuentre descargado para realizar cualquier operación con el equipo, como mantenciones. Los desfibriladores tienen sistemas de autodescarga en base a una baja resistencia de disipación de energía. Una vez descargado se debe verificar su estado. En caso de tener problemas, se puede reemplazar, aunque no sea fácil encontrar repuestos (con su nivel de voltaje de prueba suelen solo encontrarse en desfibriladores).

Fig. 9: Capacitor para un desfibrilador de 32 uF y 6 kV DC.

Los desfibriladores cuentan con sistemas de seguridad y de auto-test. Con esto el desfibrilador realiza descargas de prueba, midiendo que los niveles establecidos se cumplen. La descarga se realiza en una resistencia baja que disipa la energía en forma de calor. Esta resistencia se utiliza para descargar el condensador a modo de seguridad, para el personal. Esto se realiza cuando las paletas se encuentran de vuelta en sus soportes.

Fig. 10: Resistencia interna que descarga el capacitor cuando las paletas vuelven a su soporte.

El suministro de energía en un desfibrilador es una combinación de tres fuentes de alimentación diferentes, y todas funcionan como fuentes de alimentación conmutadas (SMPS, por sus siglas en inglés). Una de ellas suministra todas las tensiones bajas necesarias para la electrónica de control, otra proporciona el voltaje continuo de alto voltaje para cargar el condensador, y la tercera carga la batería interna.

Si bien dos de las fuentes de alimentación funcionan como fuentes de alimentación conmutadas comunes de reducción de voltaje, la que carga el condensador es una fuente de alimentación de aumento de voltaje. Dependiendo de la energía establecida, la tensión puede alcanzar aproximadamente 5,000 V.

Además, todos los componentes alrededor del condensador (relé, bobina, etc.) deben ser componentes resistentes y capaces de soportar estas altas tensiones y corrientes. Los contactos y conductores están generosamente dimensionados y bien aislados para prevenir la descarga de tensión. Las conexiones en blanco se sellan con plástico o silicona. Esto también se aplica a la PCB. Las pistas de los conductores deben estar protegidas contra contactos y descargas de tensión.

Fig. 11: Fuente de poder de un desfibrilador.

Existen 2 tipos de desfibriladores, externos e internos. Los desfibriladores externos para uso clínico están disponibles en forma de desfibriladores manuales y sincronizados. Además de estos tipos, existe el Desfibriladores Externos Automatizados (DEA) para uso no clínico y desfibriladores internos.

Los desfibriladores internos son similares a los marcapasos cardíacos y se implantan en pacientes que corren riesgo de fibrilación ventricular. Monitorean la actividad eléctrica del corazón y administran una descarga cuando es necesario. Los desfibriladores modernos también pueden funcionar como marcapasos y se llaman Desfibriladores Cardioversores Implantables (DCIs).

Desde un punto de vista técnico, los desfibriladores externos se distinguen entre desfibriladores monofásicos y bifásicos, lo que describe la forma de onda del pulso de choque. En los países más desarrollados, solo se encuentran desfibriladores bifásicos; en los países en desarrollo, la versión monofásica antigua sigue siendo el tipo más común.

El desfibrilador descarga la energía almacenada en un condensador a través de la resistencia del cuerpo en un corto período de tiempo, generando una corriente muy alta debido a la baja resistencia del cuerpo. Los desfibriladores monofásicos operan con un solo condensador de alto voltaje, y la cantidad de energía de descarga depende de la energía almacenada en el condensador. El control de energía en estos casos se logra mediante la regulación de la tensión de carga del condensador.

Un desfibrilador monofásico proporciona descargas con un rango de energía entre 2 J y 360 J. La energía necesaria depende de la capacidad y la tensión a través del condensador. En otras palabras, la tensión de la descarga se puede calcular cuando se conoce la energía y la capacidad.

La energía es igual a la mitad de la capacitancia multiplicada por el cuadrado de la tensión. Si deseamos aplicar una descarga de 360 J utilizando un condensador de 35 μF, el condensador debe cargarse aproximadamente a 4,540 V.

Los desfibriladores modernos operan de manera diferente a los antiguos. En lugar de utilizar la curva de descarga del condensador para la descarga eléctrica, emplean una señal truncada con bordes de subida y bajada rápidos. Esto se logra mediante tiristores de alto voltaje. Además, se agrega un pulso negativo al final de la señal de salida, suministrado por un segundo condensador con polaridad inversa y controlado por tiristores. La energía ya no se puede determinar simplemente configurando el voltaje de carga, lo que hace que el circuito de control sea más complejo. Se mide la tensión real del condensador durante la descarga y la corriente a través del paciente. Un microprocesador calcula la energía efectiva y controla los tiristores que conmutan la señal de salida. Esta forma de onda se llama bifásica y se considera más efectiva. Los desfibriladores modernos son bifásicos, pero en países en desarrollo donde se utilizan equipos más antiguos donados, la mayoría de los desfibriladores siguen siendo monofásicos.

Fig. 12: Forma de onda monofásica versus bifásica.

Debido a que la eficiencia fisiológica de un desfibrilador bifásico es mejor, se necesita menos energía de salida. Como consecuencia, la configuración máxima de un desfibrilador bifásico generalmente es de solo 200 J en comparación con los 360 J de un desfibrilador monofásico. Esto reduce el riesgo de quemaduras y daño miocárdico para el paciente. Para el desfibrilador, esto significa que la fuente de alimentación se vuelve más pequeña y la batería interna más liviana. A medida que el voltaje máximo disminuye, las tensiones de prueba de los componentes pueden ser más bajas y los componentes se vuelven más económicos.