Внешний дефибриллятор

<час />

Фон

Внешний дефибриллятор - это устройство, которое поражает сердце электрическим током через стенку грудной клетки. Этот шок помогает восстановить нормальный здоровый ритм сердца. Устройство обычно продается в виде комплекта, состоящего из блока управления мощностью, электродов и различных аксессуаров. Детали изготавливаются индивидуально и собираются вместе в рамках интегрированного производственного процесса. С тех пор производители медицинских устройств представили различные дефибрилляторы, внутренние и внешние, которые продлили жизнь пациентам на годы.

Чтобы понять, как дефибриллятор может перезапустить остановившееся сердце, необходимо учитывать физиологию органа. Человеческое сердце имеет четыре камеры, которые создают две помпы. Правый насос принимает обедненную кислородом кровь, возвращающуюся из организма, и перекачивает ее в легкие. Левый насос получает насыщенную кислородом кровь из легких и перекачивает ее к остальному телу. Оба насоса имеют камеру желудочка и камеру предсердия и работают одинаково. Кровь собирается в предсердии и затем переносится в желудочек. При сокращении желудочек откачивает кровь от сердца.

Координация перекачивающего действия имеет решающее значение для правильной работы сердца. За этот контроль отвечает область кардиостимулятора, расположенная в правом предсердии сердца. В этой области спонтанный электрический импульс создается за счет диффузии ионов кальция, ионов натрия и калия через клеточные мембраны. Созданный таким образом импульс передается камерам предсердий, заставляя их сокращаться, выталкивая кровь в желудочки. Примерно через 150 миллисекунд импульс перемещается к желудочкам, заставляя их сокращаться и откачивать кровь из сердца. Когда импульс уходит от камер сердца, эти части расслабляются. В нормальном сердце процесс повторяется.

В некоторых случаях электрическая система управления сердцем дает сбой и приводит к нерегулярному сердцебиению, например, к фибрилляции желудочков. Различные состояния могут вызвать фибрилляцию желудочков, включая закупорку артерий, плохую реакцию на анестезию и поражение электрическим током. Дефибрилляторы используются для поражения сердца сильным электрическим током. К груди кладут два электрода и проводят электрический ток. Типичный дефибриллятор производит разряд в течение трех-девяти миллисекунд. По не совсем понятным причинам шок по существу сбрасывает естественный желудочковый ритм и позволяет сердцу биться нормально.

На практике внешний дефибриллятор можно использовать в отделении неотложной помощи или в больнице. Оператор сначала включает машину, а затем наносит токопроводящий гель на электроды или грудь пациента. Уровень энергии выбран, и прибор заряжен. Лопатки надежно размещаются на голой груди пациента с давлением около 25 фунтов (11 кг). Одновременно нажимаются кнопки на электродах и производится электрический шок. Затем пациента контролируют на предмет регулярного сердцебиения. При необходимости процесс повторяется.

История

Открытие возможности перезапуска сердца с перебоями в зажигании с помощью электрического заряда - одно из величайших достижений современной медицины. Эта идея возникла примерно в 1888 году, когда Мак Уильям предположил, что фибрилляция желудочков может быть причиной внезапной смерти. Фибрилляция желудочков - это состояние, при котором сердце внезапно начинает нерегулярно биться, что снижает его способность перекачивать кровь, что в конечном итоге может привести к смерти. Это может быть вызвано закупоркой коронарной артерии, различными видами анестезии и поражением электрическим током.

В 1899 году Прево и Бателли сделали решающее открытие, что большое напряжение, приложенное к сердцу, может остановить фибрилляцию желудочков у животных. В начале девятнадцатого века другие ученые продолжили изучение воздействия электричества на сердце.

В течение 1920-х и 1930-х годов исследования в этой области поддерживались энергетическими компаниями, поскольку вызванная электрическим током фибрилляция желудочков убила многих рабочих, работающих на линиях электроснабжения. Хукер, Уильям Б. Кувенховен и Ортелло Лэнгуорти добились одного из первых успехов в этом исследовании. В 1933 году они опубликовали результаты эксперимента, который продемонстрировал, что внутренний переменный ток может быть использован для создания противошока, который обращает вспять фибрилляцию желудочков у собак.

В 1947 году доктор Клод Бек сообщил о первой успешной дефибрилляции человека. Во время операции Бек увидел, что у его пациента фибрилляция желудочков. Он применил переменный ток 60 Гц и смог стабилизировать сердцебиение. Пациент выжил, дефибриллятор родился. В 1954 году Кувенховен и Уильям Милнор продемонстрировали первую закрытую дефибрилляцию грудной клетки на собаке. Эта работа заключалась в наложении электродов на грудную стенку для нанесения необходимого встречного электрического удара. В 1956 году Пол Золль использовал идеи, полученные у Кувенховена, и провел первую успешную внешнюю дефибрилляцию человека.

Уильям Кувенховен.

Уильям Беннетт Кувенховен родился 13 января 1886 года в Бруклине. По образованию инженер-электрик, он внес наибольший вклад в науку в области медицины. Используя свои знания в области электротехники, Кувенховен изобрел три различных дефибриллятора и разработал методы сердечно-легочной реанимации (СЛР).

В 1920-х годах интересы Кувенховена пересекались между электротехникой и медициной. Его инженерная работа была сосредоточена на передаче электроэнергии по проводам высокого напряжения. Кувенховен заинтересовался возможной ролью электричества в оживлении животных. Он знал, что если приложить к сердцу электрический ток, оно может снова запустить его.

С 1928 до середины 1950-х годов Кувенховен разработал три дефибриллятора:дефибриллятор открытого грудного отдела, дефибриллятор переменного тока Hopkins, а затем портативный компьютер для обеспечения безопасности шахт. Они были предназначены для использования в течение двух минут после начала фибрилляции желудочков, и по крайней мере один из них требовал прямого контакта с сердцем. В 1956 году Коувенховен начал разработку неинвазивного метода. Во время эксперимента на собаке он понял, что вес электродов дефибриллятора поднял кровяное давление животного. На основе этого Кувенховен разработал СЛР.

К началу 1960-х годов СЛР использовалась повсюду в Соединенных Штатах. Новаторская работа Кувенховена была признана медицинским сообществом и электротехническим учреждением. Он был награжден золотой медалью Американской медицинской ассоциации (AMAj Ludwig Hekton Gold в 1961 и 1972 годах, а также медалью Edi-son Американского института электротехники в 1962 году. удостоен этой чести). В 1973 году он получил премию Альберта Ласкера за клинические исследования. Кувенховен умер 10 ноября 1975 года.

В 1960-х годах ученые обнаружили, что дефибрилляторы постоянного тока имеют меньше побочных эффектов и более эффективны, чем дефибрилляторы переменного тока. В 1967 году Пантридж и Геддес продемонстрировали, что использование мобильного дефибриллятора постоянного тока с батарейным питанием может спасти жизни. В конце шестидесятых годов доктор Майкл Мировски представил имплантируемый дефибриллятор. Как внутренние, так и внешние дефибрилляторы были переработаны в 1970-х годах для автоматического обнаружения фибрилляции желудочков. По мере появления усовершенствований в электронике и компьютерах эти технологии были адаптированы для дефибрилляторов.

Сегодня дефибрилляция стала неотъемлемой частью процедуры экстренного реагирования. Фактически, Американская кардиологическая ассоциация считает дефибрилляцию основным навыком жизнеобеспечения для парамедиков и спасателей.

Сырье

При создании дефибрилляторов необходимо использовать биосовместимое сырье, поскольку они взаимодействуют с пациентами. Материалы также должны быть фармакологически инертными, нетоксичными, стерилизуемыми и функциональными в различных условиях окружающей среды. Различные части дефибриллятора, включая корпус блока управления, микроэлектронику и электроды, изготовлены из биосовместимых материалов. Обычно кожух изготавливается из твердого полистиролопласта или легкого металлического сплава. Электроды изготовлены из титана и силиконовой резины. Микроэлектроника изготовлена ​​из модифицированных кремниевых полупроводников. Первичные материалы, используемые в конструкции батарей, могут включать многочисленные соединения, такие как свинцово-кислотная, никель-кадмиевая, цинк, литий, диоксид серы и диоксид марганца.

Дизайн

Базовая конструкция внешнего дефибриллятора включает блок управления, источник питания, электроды подачи, кабели и разъемы. Хотя эти устройства иногда имплантируют пациентам, в данной работе основное внимание уделяется портативным устройствам, используемым в больницах и пунктах неотложной помощи.

Элементы управления

Блок управления представляет собой небольшой легкий пластиковый корпус. Он содержит цепи генерации и хранения энергии. Обычно заряд, который доставляется пациенту, генерируется схемами генерации высокого напряжения из энергии, накопленной в батарее конденсаторов в блоке управления. Конденсаторная батарея может выдерживать до 7 кВ электроэнергии. Шок, который может быть доставлен от этой системы, может составлять от 30 до 400 джоулей. В блоке управления также находится управляющая электроника и кнопки ввода данных оператором. Типичные элементы управления на блоке управления дефибриллятором включают кнопку управления питанием, элемент управления выбора энергии, кнопку зарядки и кнопку разряда энергии. Некоторые дефибрилляторы имеют специальные элементы управления для внутренних электродов или одноразовых электродов.

Электроды

Электроды - это компоненты, через которые дефибриллятор передает энергию сердцу пациента. Доступны многие типы электродов, включая ручные электроды, внутренние электроды и самоклеящиеся, предварительно гелированные одноразовые электроды. В общем, одноразовые электроды предпочтительнее в чрезвычайных ситуациях, потому что они имеют такие преимущества, как увеличение скорости разряда и улучшение техники дефибрилляции. Размер лопасти влияет на текущий поток. Лопатки большего размера создают меньшее сопротивление и пропускают больший ток в сердце. Таким образом, более желательны лопасти большего размера. Большинство производителей предлагают лопатки для взрослых, диаметр которых составляет от 3,1 до 5,1 дюйма (8-13 см), и лопатки для детей, которые меньше.

Поскольку кожа плохо проводит электричество, между электродом и пациентом необходимо использовать гель. Без этого проводника уровень тока, достигающего сердца, был бы уменьшен. Также может возникнуть ожог кожи. Для этого доступны различные гели и пасты. Они состоят из косметических ингредиентов, таких как ланолин или вазелин. Хлорид-ионы в формуле также помогают образовывать проводящий мост между кожей и электродом, обеспечивая лучшую передачу заряда. Многие из этих материалов представляют собой те же соединения, которые используются для других медицинских устройств, таких как сканирование ЭКГ.

Батарея

Батареи по сути являются резервуарами химических реакций. В дефибрилляторах используются самые разные батарейки. Они характеризуются содержащимися в них химическими реакциями и включают свинцово-кислотные, литиевые и никель-кадмиевые системы. Эти батареи обычно можно заряжать от внешнего источника питания, и, когда они не используются, дефибрилляторы хранятся включенными. Поскольку экстремальные температуры отрицательно влияют на батареи, дефибрилляторы хранятся в контролируемых условиях. Со временем батареи изнашиваются и подлежат замене. Это важно, потому что химический состав аккумуляторов по своей природе является коррозионным и потенциально токсичным.

Автоматические внешние дефибрилляторы

В 1978 году был представлен автоматический внешний дефибриллятор. Это устройство оснащено датчиками, которые прикладываются к груди и определяют, действительно ли имеет место фибрилляция желудочков. В случае обнаружения устройство вызывает инструкции по поражению электрическим током. Эти автоматизированные устройства значительно сократили обучение, необходимое для использования дефибриллятора, и спасли тысячи жизней.

Производственный
процесс

Дефибрилляторы - это сложные электронные устройства. Обычно производители в значительной степени полагаются на поставщиков при производстве комплектующих. Затем эти детали отправляются производителю и собираются вместе, чтобы сформировать конечный продукт. Таким образом, процесс не линейный, а комплексный.

Изготовление батарей

• 1 В дефибрилляторах используются литиевые батареи. Конструкция этого типа батарей предполагает соединение нескольких ячеек. В дефибрилляторах ячейки состоят из металлического лития и газообразного диоксида серы. При работе в условиях отсутствия кислорода литий формируется в твердый корпус и добавляется диоксид серы.
• 2 Затем ячейка герметично закрывается, чтобы предотвратить утечку газообразного диоксида серы и проникновение влаги. В одной конструкции батареи четыре из этих литиевых элементов соединены последовательно и упакованы в прочный корпус. В целях безопасности к каждой ячейке установлен предохранитель на 8 ампер. Все ячейки имеют вентиляционное отверстие, которое можно использовать для сброса давления, если оно становится слишком высоким.

Создание оболочки

• 3 Для изготовления кожуха и внешнего кожуха электродов можно использовать процесс, известный как литье под давлением. В этой процедуре пластиковые гранулы плавятся и придают им форму. Гранулы пластика помещаются в бункер, прикрепленный к литьевой машине, и плавятся.
• 4 Затем материал пропускается через шнек с гидравлическим управлением. По мере вращения винта пластик плавится дальше. Его направляют через сопло и впрыскивают в форму. Форма состоит из двух металлических половинок, которые вместе образуют форму детали. Когда пластик находится в форме, он выдерживается некоторое время под давлением, а затем охлаждается. По мере охлаждения пластик затвердевает и принимает форму формы. Комплект внешнего дефибриллятора. Части формы отделяются, и пластиковая часть выпадает на конвейер. Затем форма снова закрывается, и процесс повторяется. После того, как пластиковые детали извлечены из формы, они проверяются вручную.

Изготовление электроники

• 5 Материнская плата внутри корпуса содержит все электрические схемы дефибриллятора, включая полупроводниковые микросхемы, резисторы, конденсаторы и другие устройства. Используя сложный метод, известный как гибридизация, эти компоненты объединяются в единую сложную схему. Конструкция начинается с небольшой платы, на которой распечатана конфигурация электронной схемы.
• 6 Затем плата пропускается через компьютеризированную машину, которая размещает соответствующие компоненты именно там, где они необходимы, на плате. Это действие выполняется путем размещения головы на устройстве. Он удерживает электронный компонент и прижимает его к плате.
• 7 Затем электронные компоненты прикрепляются к плате с помощью паяльной машины с минимальным количеством сварных швов. Схеме дают остыть и проверяют перед подключением к корпусу блока управления.

Сборка

• 8 Электронные платы вручную прикрепляются к корпусу рабочими на линии в исключительно чистых условиях. Платы Расположение электродов дефибриллятора. крепится различными шурупами и крепежом. Кожухи снабжены кнопками управления и переходниками для металлических электродов. Вся сборка закрывается винтами и отправляется в зону для испытаний и окончательной упаковки.

Изготовление лопастных электродов

• 9 Помимо внешней оболочки, лопаточные электроды состоят из металлической пластины и кабеля, соединяющего их с основной машиной. Металлическая пластина представляет собой проводящий сплав, например олово. Пластина изготавливается на машине, которая называется «МНЛЗ». Машина для литья под давлением превращает расплавленное олово в тонкие листы, проталкивая его между большими роликами с водяным охлаждением. На листы напыляют тонкий слой хлорида олова, и они разрезаются по размеру электрода.
• 10 Кабель изготовлен методом волочения. На этом этапе металл нагревают до размягчения. Затем его раскатывают и вытягивают, чтобы получить длинную проволоку.
• 11 Затем провод разрезается и связывается с другими проводами. Пучок проводов покрыт относительно толстым полимерным изолятором и обернут изолирующей оболочкой. Один конец провода припаян к металлической пластине.
• 12 Затем пластина вручную устанавливается на внешнюю оболочку, и кабель пропускается через отверстие в задней части оболочки.
• 13 Конец кабеля снабжен переходником, который можно подключить к блоку управления.

Окончательная сборка

• 14 Когда все компоненты готовы, они собираются вместе в окончательной упаковке. Рабочие линии берут отдельные части машины, включая электроды, аккумулятор и блок управления, и кладут их в мягкий ящик. Они также включают кабели, инструкции по эксплуатации и другую информацию.
• 15 Перед отправкой любого продукта его тестируют на предмет надлежащей зарядки.

Контроль качества

Проведение визуальных и электрических проверок на протяжении всего производственного процесса гарантирует качество каждого дефибриллятора. Изготовление электронных схем особенно чувствительно к загрязнению, поэтому производство осуществляется в чистых помещениях с регулируемым потоком воздуха. Одежда, которую носят рабочие на конвейере, должна быть безворсовой, чтобы снизить вероятность заражения. Поскольку батареи критичны и потенциально опасны, они подвергаются всесторонним испытаниям на производительность, безопасность и стабильность. Функциональные характеристики каждого завершенного дефибриллятора проверяются, чтобы убедиться, что он работает. Это может быть выполнено путем зарядки аккумулятора, разрядки устройства и измерения выходной мощности заряда. Чтобы смоделировать использование в реальной жизни, эти тесты проводятся в различных условиях окружающей среды. Проверка качества также обычно проводится после покупки дефибрилляторов. Инженерный персонал выполняет профилактические проверки каждые три-шесть месяцев в зависимости от использования. Обычно это включает испытание заряда-разряда.

Каждая компания, производящая медицинские устройства, должна зарегистрироваться в Управлении по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA). Они должны придерживаться стандартов качества FDA, известных как «надлежащая производственная практика». Это требует обширных процедур ведения документации, а также требует от производителя регулярных проверок предприятия на соответствие.

Будущее

В будущем дефибрилляторы будут усовершенствованы, чтобы стать более безопасными и эффективными. Например, конструкторы постоянно улучшают конструкцию электродов, чтобы снизить вероятность поражения электрическим током оператора устройства. В недавнем патенте, выданном в США, описана электродная система, в которой именно для этой цели используется Y-образный кабель. Достижения в производстве интегральных схем также сделают устройства более легкими в использовании и легкими.

Еще одна важная область улучшений будет найдена в аккумуляторной технологии. Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США запатентовали новый металлический сплав, который должен значительно улучшить характеристики аккумуляторных батарей. Сплав может быть включен в никель / металлогидридную батарею, чтобы обеспечить значительное увеличение емкости для хранения заряда. В дополнение к этим областям развития будут также внесены улучшения в конструкцию дефибриллятора, такие как включение большего количества датчиков, которые будут давать важную информацию о состоянии пациента.

Где узнать больше

Книги

Карр, Дж. Дж. Введение в технологию биомедицинского оборудования. 2-е изд. Prentice Hall Career and Technology, 1993.

Фокс, Стюарт. Физиология человека. W. C. B. Publishers, 1990 г.

Увер, Р. В. Д. Стимуляция сердца и электрофизиология:мост на 21 ^st Века . Kluwer Acedemic Publishers, 1994.

Периодические издания

Шекспир, К. Ф. и А. Дж. Камин. «Электрофизиология, кардиостимуляция и аритмия». Клиническая кардиология 15 (1992):601-606.

Другое

Уортингтон, Джанет Фаррар. «Инженер, который мог». Медицинские новости Хопкинса. 18 марта 1998 г. 2 октября 2001 г. .

Перри Романовский