Pacemaker Diafragmático
Vitor Vaz da Silva
IMM-USNA
Habilitações
• Bacharelato
1987 - Engª Electrónica e Telecomunicações, Sistemas Digitais - ISEL
• Licenciatura
1990 - Engª Electrotécnica e de Computadores – IST
2007 - Teologia – UCP
• Mestrado
1996 - Engª Electrotécnica e de Computadores – IST
• Doutoramento
2008-2010 (interrompi) – UCP – Fisiologia-FM-UL – Pacemaker Diafragmático
2011 – UNL – iniciei noutra área
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2
Trabalho
• Docente ISEL 1985 - 1997
• Dedicação à vida religiosa SCJ entre 1997 e 2004
• Escolas Profissionais 2004 - 2006
ANFEI/SIEMENS e ATEC
EPGE
• Ensino Superior
Moderna 2004 - 2005
ISLA 2009
FE-UCP 2005 - presente
ISEL 2010 - presente
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3
Áreas de Ensino
•
•
•
•
•
•
•
Redes de Comunicação
Programação
Electrónica
Sistemas Digitais
Arquitectura de Computadores
Sistemas de Informação
Micro-controladores
http://Tektonia.com
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4
Historial
• 1777 - Cavallo fez a primeira proposta de
estimulação eléctrica para a respiração
artificial.
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Historial
• 1872 - Duchenne
conclui que a
estimulação do
nervo frénico é a
melhor forma de
“imitar a
respiração
natural”
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6
Historial
• 1783 - Christoph Hufeland propõe a respiração
artificial através da estimulação eléctrica do
nervo frénico como tratamento aos recémnascidos asfixiados
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Historial
• 1818 Ure produz contracções do diafragma
num criminoso acabado de ser enforcado.
• 1857 von Ziemssen demonstrou pela primeira
vez o uso desta técnica para reanimar um
paciente que tinha sido intoxicado por gás
venenoso.
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8
Historial
• Durante os cinquenta anos que se seguiram
diversos grupos incluindo Boulogne, Remak e
Israel demonstraram a eficácia do estímulo do
nervo frénico / diafragma no suporte ou
recuperação da respiração.
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9
Historial
• Apesar do sucesso documental a estimulação
do nervo fréncio desvaneceu com a difusão do
sistema de ventilação mecânica de pressão
positiva.
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10
Historial
• 1948 - S.J. Sarnoff e colegas da Harvard School of
Public Health mostrou que na ausência de actividade
respiratória espontânea, a estimulação rítmica do
nervo frénico podia “duplicate minute volume,
arterial blood oxygen and carbon dioxide tensions”.
• Documentou 52 horas de estimulação do nervo
frénico como a única forma de respiração artificial de
um rapaz de 5 anos com paralisia respiratória
seguida de um aneurisma cerebral.
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11
Historial
• 1966 – Baseando-se na investigação de
pacemakers cardíacos William W.L. Glenn e
seus colegas da Faculdade de Medicina da
Universidade de Yale criaram a primeira
aplicação prática de um pacing do nervo
frénico.
“Radio-frequency electrophrenic respiration. Longterm application to a patient with primary
hypoventilation” Journal of the American Medical
Association – March 1968
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12
Historial
• 1970 – A colaboração de Roger E. Avery leva os
protótipos de Glenn à distribuição comercial pelo Avery
Laboratories, Inc.
• A regulação da venda de dispositivos médicos nos
Estados Unidos pelo “Food and Drug Administration
Modernization Act of 1986 (FDAMA)” atribui ao “Avery
breathing pacemaker system” a classificação de
dispositivo de “Class III”
• 1995 – este sistema é o primeiro do seu tipo autorizado
sob os requisitos do “Active Implantable Medical Device
Directive (90/385/EEC)” para distribuição dentro da
União Europeia.
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13
Esquema Geral do Sistema
Respiratório
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14
Capacidade e Volume Pulmonar
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Nervo Frénico
Nervo Frénico
Nervo Frénico
Diafragma
Músculo esclético
• Fibras
– Tipo I (42%)
• (menores) recrutadas primeiro
• Lentas
• Resistem fadiga
– Tipo II A (42%)
• Rápidas
• Fatigáveis
– Tipo II B (16%)
• Muito Rápidas
• Muito Fatigáveis
Com estimulação
eléctrica
Pacing Diafragmático Convencional
• Necessita de uma toraxostomia para a colocação de
eléctrodos.
• A colocação menos invasiva cirurgicamente de eléctrodos
cervicais já foi usada e está desaconselhada:
– Na presença de uma ramificação acessória de um segmento da corda
cervical que liga o tronco principal do frénico na baixa região do
pescoço ou tórax, a estimulação cervical do nervo pode resultar numa
activação incompleta do diafragma.
– Outros nervos próximos do frénico podem ser activados resultando
em dor ou movimento indesejado.
– Movimentos do pescoço podem gerar tensões mecânicas no sistema
nervo/eléctrodo aumentando o risco de lesão do nervo.
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Pacing Diafragmático Convencional
• O segundo espaço intercostal é usado de um modo
comum para o posicionamento toráxico dos
eléctrodos.
• Há risco potencial de lesão iatrogénica no frénico e
consequentemente falha de pacing. Os nervos não
devem ficar sujeitos a tensões.
• Para evitar a lesão ischémica devem preservar-se as
ramificações venosas dentro do perineurium.
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Pacing Diafragmático Convencional
• Os eléctrodos estão ligados a um receptor de radiofrequência
de um modo geral colocado superficialmente na caixa toráxica
anterior. O acesso deve ser simples:
• (over the lower anterior rib cage just above the costal
margin). É possível sentir com a mão a localização dos
receptores e sobre eles colocar as antenas emissoras.
• (anterior abdominal wall) é uma alternativa para as pessoas
delgadas para evitar lesão por pressão.
• Nos sistemas que necessitam de dois receptores, estes têm de
estar com um afastamento mínimo de 15 cm.
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Pacing Diafragmático Convencional
• Os valores limiares de estímulo devem situar-se na gama 0.1 a
2.0 mA.
• Um estímulo supra-limiar resulta numa contracção forte do
diafragma.
• Se o valor limiar do estímulo é elevado pode significar um
melhor reposicionamento dos eléctrodos.
• O uso de diversos pontos de contacto com o nervo implica a
verificação em cada combinação dos valores limiar e supralimiar.
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Electrodos Diafragmáticos Intermusculares
• O estímulo do nervo fréncio pode ser efectuado com
electrodos intermusculares colocados no diafragma.
• Esta técnica laparoscopica é menos invasiva do que a
toraxostomia:
– O risco de lesão do frénico não se coloca porque não se mexe no
frénico.
– O paciente pernoita apenas para observação
• Este tipo de estímulo também necessita da função bilateral
intacta do frénico.
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Electrodos Diafragmáticos Intermusculares
• Dois eléctrodos intramusculares são colocados
próximo dos dois pontos motores do frénico em
ambos os hemidiafragmas.
• A estimulação de ambos hemisférios é
habitualmente necessária para obter um volume de
inspiração óptimo.
• Devido ao estímulo do fréncio ser por difusão sobre
o músculo do diafragma, a gama de corrente de
estímulo situa-se entre 24 a 25 mA.
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Pacing Intercostal e Diafragmático
• Actividade frénica inadequada ou ausente limita o uso do pacing
diafragmático. (Lesões nos motorneurónios na espinal medula e raízes
do frénico são comum na tetraplegia.)
• A estimulação eléctrica aplicada nas raízes ventrais tem como
consequência a activação dos músculos intercostais inspiratórios e na
inspiração de grandes volumes.
• Os electrodos são colocados na superfície epidural da coluna dorsal
através de uma laminectomia.
• A estimulação dos músculos intercostais providencia um volume com
uma troca gasosa comparável com o sistema de pacing do diafragma.
• Difaragma – 75%
• Intercostais – 25%
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Nervo Frénico
EMG - Diafragma
Sistemas de Pacing
•
Atrostim® Phrenic Nerve Stimulator V2.0
(available only outside USA)
Atrotech OY
Tampere, Finland
www.atrotech.com
•
Atrostim® Phrenic Nerve Stimulator V1.0
(available in USA as IDE)
Lifestream Medical Corporation
407-468-4718, [email protected], www.lifegroupinternational.com
•
Mark IV Breathing Pacemaker
Avery Laboratories, Inc. (formerly The Dobelle Institute in 1999)
[email protected], www.breathingpacemakers.com
•
MedImplant
MedImplant Biotechnisches Labor
Laudongasse 10, A-1080 Vienna, Austria
[email protected]
•
Synapse Biomedical, Europe
156 Place des Aubepines
95680 Montlignon , France
http://www.synapsebiomedical.com
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Avery
EUA
IMM - USNA
AVERY – 1970 - Electrophrenic transmitter
37
AVERY – 1970 - Electrophrenic receiver
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Avery – Respiratory Pace Maker
• O sistema consiste em
eléctrodos e receptores
implantados
cirurgicamente,
associados a um
transmissor que envia
sinais de rádio através de
antenas colocadas sobre
os receptores.
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AVERY
Avery Biomedical Devices (Commack, NY).
Electrodos – laço semicircular de platina e irídio embebidos numa borracha à
base de silicone. Há mono e bipolares.
Os eléctrodos bipolares são recomendados para pacientes que já tenham um
pacemaker cardíaco.
O Mark IV tem uma maior flexibilidade em termos dos parâmetros de
estimulação e um aumento do tempo de vida da bateria.
Permite uma interface opcional (biofeedback) de controlo do pulso em
função dos valores de um oxímetro de pulso e monitorização do CO2.
Monitorização remota (trans-telephonic) pelo telefone da saída da
electrónica e da resposta neurofisiológica do frénico e diafragma.
O sistema tem “premarket approval (PMA) from the FDA”.
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Largura do Impulso
Intervalo do Impulso
Inspiração
Expiração
Ritmo
Respiratório
Período Inspiratório
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Avery
•
•
•
•
•
•
•
Nome: Mark IV Breathing Pacemaker
Site:
www.breathingpacemakers.com
Tipo:
Phrenic Nerve Stimulator
Data:
Década 1970
Dimensão:
φ 30mm x 8mm
Implantes para estimulação Bilateral:
2
Electrodos : (mono e bipolar ) 2 x 2
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Avery
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Componentes externos:
Peso:
Autonomia:
Ritmo respiratório:
Período Inspiratório :
Amplitude:
Largura do impulso:
Intervalo do impulso:
Rampa:
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146 x 140 x 25 mm
0.54Kg
400h
6-28 cpm
1.0-2.8 s
0-10 mA
160-1000 us
25-130 ms
Amplitude
43
ATRoTECH
Finlândia
ATRoTECH
• Desenvolvido durante o final
da década de 1980, esteve
disponível nos Estados Unidos
sobre o IDE da FDA até
Outubro de 2005.
• A versão Atrostim PNS (V2.0)
tem um certificado EC da TÜV
Product Service GmbH,
Munich, Germany para a
União Europeia (Notified body
No. 0123).
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ATRoTECH
Distingue-se do Avery
essencialmente nos
eléctrodos:
Duas tiras de Teflon cada uma
com 2 botões de platina.
Os 4 pólos dividem o nervo em 4
compartimentos de estímulo
activando cada um deles um
quadrante do frénico
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ATRoTECH
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ATRoTECH
• Uma sequência de estimulação consiste em 4
combinações de corrente. Cada pólo por sua vez
actua como cátodo e o do lado oposto como ânodo.
• Consequentemente há 4 compartimentos de
estímulo à volta do nervo. O estímulo combinado de
todos os quadrantes do nervo, cada um a 5-6Hz,
resulta na activação do diafragma perto da sua
frequência óptima de fusão de 20-25Hz, resultando
numa contracção suave do diafragma.
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ATRoTECH
• O padrão de estímulo pretende aproximar da
activação natural do nervo em que todas as unidades
motoras não estão activadas de um modo síncrono.
• Teoricamente este padrão de estimulação deveria
aperfeiçoar a transformação de fibras musculares em
“slow-twitch, fatigue-resistant fibers” e por isso
melhorar as características de resistência do
diafragma e diminuir o período do processo de
condicionamento ao comparar com a estimulação
unipolar convencional.
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Atrotech
•
•
•
•
•
•
•
Nome: Atrostim Jukka
Site:
http://www.atrotech.com/
Tipo:
Phrenic Nerve Stimulator
Data:
Década 1980
Dimensão:
φ 44mm x 6mm
Implantes para estimulação Bilateral:
Eléctrodos : (quadripolo) 2 x 2
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2
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Atrotech
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Componentes externos: 185 x 88 x 28 mm
Peso:
0.45Kg + (0.045 @9V) + (0.6 @12V)
Autonomia:
8h @9V
160-320 @12V
Ritmo respiratório:
8-35 cpm
Período Inspiratório :
0.5-4 s
Amplitude:
0-6 mA
Largura do impulso:
200 us
Intervalo do impulso:
10-100ms
Rampa:
Amplitude e Frequência
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Medimplant
Áustria
Medimplant
Este sistema (Medimplant Biotechnisches Labor Vienna, Austria) também difere nos eléctrodos com
múltiplos contactos com o nervo frénico:
– Uma técnica microcirurgica é utilizada para suturar 4
eléctrodos ao epineurium de cada nervo frénico.
– O tecido nervoso entre eléctrodos providencia
compartimentos de estimulação.
– Podem configurar-se até 16 combinações individuais para
cada nervo.
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53
Medimplant
– Durante uma inspiração apenas se estimula com uma dessas
combinações, como no caso do Avery.
– Os diversos compartimentos são estimulados em sequência nas
inspirações subsequentes.
– Cada estimulação é efectuada à frequência máxima de 26 Hz.
– Apenas uma parte do nervo é estimulada por cada inspiração, como no
da Atrotech, o que proporciona tempo de recuperação.
– Este tipo de estímulo referido como “carousel stimulation” supõe
redução da incidência de fadiga em comparação com o unipolar.
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54
Medimplant
• Entre 1983 e 1992, 23 pacientes com insuficiência ventilatória
completa de etiologias diversas foram tratados com um
implante de 8 canais (Medimplant Inc., Vienna) para a
estimulação de ambos os frénicos (fatigue free stimulation).
• Dados sumários de 15 pacientes com uma lesão alta na coluna
dorsal (idades: 9-51 anos):
1) nível da lesão (nº pacientes): C0(3) C1/C2(4) C2/C3(8);
2) tempo entre o incidente e a implantação: 3-14 meses;
3) treino do diafragma : 1-22 meses;
4) chronic pacing: 5-83 meses;
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Medimplant
5) fecho da traqueostomia : 7 pacientes;
6) vivem permanentemente em casa: 13 pacientes;
7) ritmo respiratório por minuto: 12-17;
8) duração da inspiração: 1.0-1.3 s;
9) tidal volume: 7-20 ml/kg body weight;
10) volume por minuto: 121-198 ml/kg body weight;
11) pH: 7.39-7.42;
12) pCO2: 22.9-38.6 mmHg;
13) pO2: 81.2-104.5 mmHg;
14) faleceram até Dezembro de 1992: 4 pacientes.
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Medimplant
• Embora os sistemas de pacing necessitem de uma fonte de
alimentação externa e de um controlo por rádio, os autores
desenvolveram e testaram o primeiro dispositivo
completamente implantável.
• Características:
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Electrónica SMD baseado no microcontrolador MC68HC705C8;
Programado via rádio – comunicação bidireccional
Oito canais
Fonte de corrente ajustável até 5 mA, em 256 níveis.
Duração do impulso 100-1000 micro seg;
Frequência dos estímulos: 1-33 Hz;
Autonomia mínima: 3 anos.
Dimensões: 67 x 48 x 13 mm – inclui bateria, 8 conectores, antena
Peso: 58 g.
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MedImplant
•
•
•
•
•
•
•
•
Nome: Vienna Phrenic Pacemaker (T154S-T161S)
Site:
Tipo:
Phrenic Nerve Stimulator
Data:
Decada de 1970
Dimensão:
56 x 53 x 14 mm
Implantes para estimulação Bilateral: 1
Eléctrodos :
(quadripolo) 8
Patente:
Austria 330342, 1975
(carrousel stimulation)
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58
MedImplant
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Componentes externos:
Peso:
Autonomia:
Ritmo respiratório:
Período Inspiratório:
Amplitude:
Largura do impulso:
Intervalo do impulso:
Rampa:
IMM-USNA
170 x 130 x 51 mm
1.42Kg
24h
5-60 cpm
0-4 mA
100-1200 us
Amplitude
59
Synapse
Biomedical
EUA
Synapse Biomedical
• 4 eléctrodos implantados no
diafragma para estimular o
músculo
• Um outro eléctrodo
subcutâneo para fechar o
circuito eléctrico
• O módulo NeuRx, exterior, gera
os impulsos ligando
directamente aos electrodos
através de uma ficha
Synapse Biomedical
• Usado durante a cirurgia para verificar os
locais a estimular e posicionar os eléctrodos
• Após a cirurgia determina a Amplitude,
Frequência e Largura do impulso de cada
estímulo, e o Ritmo
respiratório e Intervalo
de inspiração.
• Comunica ao NeuRx
a configuração
Synapse Biomedical
NeuRx DPS™ provides a gentle, rhythmic, electrical stimulation
• Decreased reliance on a ventilator
• Reduced risk of respiratory infections
• Increased day-to-day independence
• In the NeuRx DPS™ clinical trial of 50 high-level SCI patients:
• 100% success rate in achieving tidal volumes in patients with intact phrenic
nerve.
• 25 patients achieved full-time diaphragm pacing and eliminated the use of
their ventilator.
• 33 patients now pace more than 12 hours per day and significantly reduce
the time spent on their ventilator.
• NeuRx DPS™ has enabled SCI patients to regain their sense of smell and
taste, easily eat and speak and expand their mobility and transportation
options.
Synapse Biomedical
• Nome: NeuRx
• Site:
synapsebiomedical.com/products/neurx.shtml
• Tipo:
Intramuscular
• Data:
• Dimensão:
• Implantes para estimulação Bilateral:
• Eléctrodos : (Peterson electrode mono) 2-4
IMM-USNA
64
Synapse Biomedical
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Componentes externos:
Peso:
Autonomia:
Ritmo respiratório:
Período Inspiratório:
Amplitude:
Largura do impulso:
Intervalo do impulso:
Rampa:
IMM-USNA
150 x 80 x 40 mm
0.26Kg
500h
8-18 cpm
0.8-1.5 s
5-25 mA
20-200 us
20-250 ms
Largura do Impulso
65
TET
Coreia
Transcutaneous Energy Transmission
www.snu.ac.kr
IMM - USNA
67
TET
•
•
•
•
•
•
•
Nome: Transcutaneous Energy Transmission
Site:
snu.ac.kr
Tipo:
Intramuscular
Data:
Dimensão:
Implantes para estimulação Bilateral: 2
Eléctrodos : ponto motor do frénico
IMM-USNA
68
TET
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Componentes externos:
Peso:
Autonomia:
Ritmo respiratório:
Período Inspiratório:
Amplitude:
Largura do impulso:
Intervalo do impulso:
Rampa:
IMM-USNA
150 x 80 x 40 mm
0.26Kg
50h
6-30 cpm
0.5-5 s
2-25 mA
100 us
20-120 ms
Largura do Impulso
69
Comparação entre Sistemas
IMM-USNA
70
IMM-USNA
71
Videos
http://www.synapsebiomedical.com/alsvideo/
http://www.synapsebiomedical.com/news/medi
a/SCIPatientVideo.shtml
IMM-USNA
72
IMM - USNA
Bibliografia
• Horia-Nicolai L. Teodorescu, Lakhmi C. Jain – Intelligent
Systems and Technologies in Rehabilitation Engineering
• Victor D. Chase - Shattered Nerves: How Science Is
Solving Modern Medicine's Most Perplexing Problem
• Brian J. Whipp, D.M. Wiberg - Modelling and Control of
Breathing
• Jean Champagnat, Monique Denavit-Saubie, Gilles
Fortin, Arthur S. Foutz - Post-Genomic Perspectives in
Modeling and Control of Breathing (Advances in
Experimental Medicine and Biology)
• Y. Honda - Control of Breathing and its Modeling
Perspective
Referências
•
•
•
•
•
•
•
(1) Duchenne GBA. "De l’electrisation localisée et de son application a la pathologie et a le
thérapeutique par courants induits et par courants galvaniques interrompus et continues per
le dr. Duchenne." Paris, Baillière,1872.
(2) Hufeland CW. "De use vis electricae in asphyxia experimentis illustrato." Inauguraldissert.
Gottingae, 1873.
(3) Sarnoff SJ, Hardenbergh E, Whittenberger JL. "Electrophrenic Respiration." Science.
October 29, 1948. Vol. 108, p. 482.
(4) Glenn WW, Anagnostopoulos CE. "Electronic pacemakers of the heart, gastrointestinal
tract, phrenic nerve, bladder, and carotid sinus: current status." Surgery, 1996 Aug; 60 (2):
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(5) Glenn WW, Judson JP. "Radio-frequency electrophrenic respiration. Long-term application
to a patient with primary hypoventilation." Journal of the American Medical Association.
March 1968, 203(12), pp. 1033-1037.
(6) Shaul DB, Danielson PD, McComb JG, Keens TG. "Thoracoscopic Placement of Phrenic
Nerve Electrodes for Diaphragm Pacing in Children." Journal of Pediatric Surgery. July 2002,
Vol.37, No.7, pp.974-978.
(7) Elefteriades JA, Quin JA, Hogan JF, Holcomb WG, Letsou GV, Chlosta WF, Glenn WW. "Long
Term Follow-up of Pacing of the Conditioned Diaphragm in Quadriplegia." Journal of Pacing
and Clinical Electrophysiology. June 2002, Vol.25, No.6, pp.897-906.
Referências
MedImplant
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Department of Biomedical Engineering and Physics, Wilhelminenspital, Vienna,
Austria.
ASAIO J. 1993 Jul-Sep;39(3):M729-35.
PMID: 8268634 [PubMed - indexed for MEDLINE]
Sites
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www.ventusers.org/edu/valnews/val13-1.html
•
www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=1864798
•
missinglink.ucsf.edu/lm/IDS_101_histo_resource/nerves_muscle.html
•
www.backpain-guide.com/Chapter_Fig_folders/Ch10_Recover_Folder/Ch101_NerveStruct.html
•
www.instantanatomy.net/thorax/nerves/phrenic.html
•
www.averybiomedical.com
•
www.ifess.org/Vienna01/Session5/Thoma.htm
•
258.personals-bood.ifess.org/Vienna01/Session5/Thoma.pdf
Sites
www.breathingpacemakers.com
http://www.averybiomedical.com/index.html
http://www.atrotech.com/
synapsebiomedical.com/products/neurx.shtml
http://www.cigna.com/customer_care/healthcare_professional/coverage_positions/
medical/mm_0391_coveragepositioncriteria_diaphragmatic_phrenic_nerve_stimulati
on.pdf
http://www.patentsurf.net/
http://melab.snu.ac.kr/dokuwiki/lib/exe/fetch.php?id=research%3Apublication
%3Aconference&cache=cache&media=research:publication:2005_implantable_
diaphragmatic_breathing_pacemaker_using_trancutaneous_energy_transmissi
on.pdf
IMM-USNA
78
Sites
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omy_Results.php
• http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/
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• http://neuroph.sourceforge.net/index.html
• http://bmsr.usc.edu
• http://faculty.etsu.edu/forsman/Histologyofmusclefor
web.htm
• http://www.rci.rutgers.edu/~uzwiak/AnatPhys/APSprin
gnotes.html