Externe defibrillator

Achtergrond

Een externe defibrillator is een apparaat dat via de borstwand een elektrische schok aan het hart toedient. Deze schok helpt het hart te herstellen naar een regelmatig, gezond ritme. Het apparaat wordt over het algemeen verkocht als een kit die bestaat uit een vermogensregeleenheid, paddle-elektroden en verschillende accessoires. De onderdelen worden afzonderlijk gemaakt en via een geïntegreerd productieproces aan elkaar geplakt. Sindsdien hebben fabrikanten van medische apparatuur verschillende interne en externe defibrillatoren geïntroduceerd die het leven van patiënten jaren hebben vergroot.

Om te begrijpen hoe een defibrillator een vastgelopen hart kan herstarten, moet rekening worden gehouden met de fysiologie van het orgaan. Het menselijk hart heeft vier kamers, die twee pompen creëren. De juiste pomp ontvangt het zuurstofarme bloed dat terugkeert uit het lichaam en pompt het naar de longen. De linkerpomp ontvangt het zuurstofrijke bloed uit de longen en pompt het naar de rest van het lichaam. Beide pompen hebben een ventrikelkamer en een atriumkamer en werken op een vergelijkbare manier. Het bloed verzamelt zich in het atrium en wordt vervolgens overgebracht naar het ventrikel. Bij samentrekking pompt het ventrikel het bloed weg van het hart.

De coördinatie van de pompwerking is van cruciaal belang om het hart correct te laten functioneren. Een pacemakergebied, dat zich in het rechter atrium van het hart bevindt, is verantwoordelijk voor deze controle. In dit gebied wordt een spontane elektrische impuls gecreëerd door de diffusie van calciumionen, natriumionen en kaliumionen door de celmembranen. De aldus gecreëerde impuls wordt overgebracht naar de atriumkamers waardoor ze samentrekken en bloed in de ventrikels duwen. Na ongeveer 150 milliseconden gaat de impuls naar de ventrikels, waardoor ze samentrekken en het bloed uit het hart pompen. Terwijl de impuls zich van de kamers van het hart verwijdert, ontspannen deze secties. In een normaal hart herhaalt het proces zich vervolgens.

In sommige gevallen werkt het elektrische controlesysteem van het hart niet goed, wat resulteert in een onregelmatige hartslag, zoals ventriculaire fibrillatie. Verschillende aandoeningen kunnen ventriculaire fibrillatie veroorzaken, waaronder geblokkeerde slagaders, slechte reactie op anesthesie en elektrische schokken. Defibrillatoren worden gebruikt om het hart een sterke elektrische schok toe te dienen. Er worden twee elektroden op de borst geplaatst en er wordt een schok gegeven. Een typisch defibrillatorapparaat zal drie tot negen milliseconden een schok toedienen. Om redenen die niet helemaal worden begrepen, reset de schok in wezen het natuurlijke ventriculaire ritme en laat het hart normaal kloppen.

In de praktijk kan een externe defibrillator op een spoedeisende hulp of een ziekenhuis worden bediend. De operator zet eerst de machine aan en brengt vervolgens een geleidende gel aan op de paddle-elektroden of op de borst van de patiënt. Het energieniveau wordt geselecteerd en het instrument wordt opgeladen. De paddles worden stevig op de ontklede borst van de patiënt geplaatst met een druk van ongeveer 25 lb (11 kg). De knoppen op de elektroden worden gelijktijdig ingedrukt en de elektrische schok wordt toegediend. De patiënt wordt dan gecontroleerd op een regelmatige hartslag. Indien nodig wordt het proces herhaald.

Geschiedenis

De ontdekking dat een hartkloppend hart opnieuw opgestart kan worden met behulp van een elektrische lading, is een van de grote ontwikkelingen van de moderne geneeskunde. Dit idee ontstond rond 1888 toen Mac William suggereerde dat ventriculaire fibrillatie de oorzaak zou kunnen zijn van een plotselinge dood. Ventriculaire fibrillatie is een aandoening waarbij het hart plotseling onregelmatig klopt, waardoor het niet meer bloed kan pompen, wat uiteindelijk tot de dood kan leiden. Het kan worden veroorzaakt door een verstopping van de kransslagader, verschillende anesthesie en een elektrische schok.

In 1899 deden Prevost en Batelli de cruciale ontdekking dat grote spanningen die over het hart worden aangelegd, ventriculaire fibrillatie bij dieren konden stoppen. Verschillende andere wetenschappers bestudeerden de effecten van elektriciteit op het hart tijdens het begin van de negentiende eeuw.

Tijdens de jaren 1920 en 1930 werd onderzoek op dit gebied ondersteund door de energiebedrijven, omdat door elektrische schokken veroorzaakte ventriculaire fibrillatie veel werknemers van elektriciteitsbedrijven het leven kostte. Hooker, William B. Kouwenhoven en Orthello Langworthy zorgden voor een van de eerste successen van dit onderzoek. In 1933 publiceerden ze de resultaten van een experiment, dat aantoonde dat een intern aangelegde wisselstroom kan worden gebruikt om een ​​tegenschok te produceren die ventrikelfibrillatie bij honden omkeert.

In 1947 rapporteerde Dr. Claude Beck de eerste succesvolle menselijke defibrillatie. Tijdens een operatie zag Beck zijn patiënt een ventriculaire fibrillatie ervaren. Hij paste een wisselstroom van 60 Hz toe en kon de hartslag stabiliseren. De patiënt leefde en de defibrillator werd geboren. In 1954 demonstreerden Kouwenhoven en William Milnor de eerste gesloten borstdefibrillatie bij een hond. Dit werk omvatte het aanbrengen van elektroden op de borstwand om de noodzakelijke elektrische tegenschok af te geven. In 1956 gebruikte Paul Zoll de ideeën die hij van Kouwenhoven had geleerd en voerde hij de eerste succesvolle externe defibrillatie van een mens uit.

William Kouwenhoven.

William Bennett Kouwenhoven werd geboren op 13 januari 1886 in Brooklyn. Opgeleid als elektrotechnisch ingenieur, kwamen zijn meest blijvende bijdragen aan de wetenschap uit de medische arena. Met zijn elektrotechnische achtergrond vond Kouwenhoven drie verschillende defibrillators uit en ontwikkelde hij cardiopulmonale reanimatie (CPR) technieken.

In de jaren twintig kruiste Kouwenhovens interesse tussen elektrotechniek en geneeskunde. Zijn technische werk was gericht op hoogspanningsdraadtransmissie van elektriciteit. Kouwenhoven raakte geïnteresseerd in de mogelijke rol van elektriciteit bij het doen herleven van dieren. Hij wist dat wanneer een elektrische stroom op het hart werd toegepast, het opnieuw zou kunnen starten.

Van 1928 tot het midden van de jaren vijftig ontwikkelde Kouwenhoven drie defibrillatoren:de defibrillator met open borst, de Hopkins AC-defibrillator en vervolgens Mine Safety Portable. Deze waren bedoeld voor gebruik binnen twee minuten na het begin van ventriculaire fibrillatie, en ten minste één vereiste direct contact met het hart. In 1956 begon Kouwenhoven met het ontwikkelen van een niet-invasieve methode. Tijdens een experiment met een hond realiseerde hij zich dat het gewicht van de peddels van de defibrillator de bloeddruk van het dier verhoogde. Op basis hiervan ontwikkelde Kouwenhoven reanimatie.

Aan het begin van de jaren zestig werd in de Verenigde Staten reanimatie toegepast. Het baanbrekende werk van Kouwenhoven werd erkend door de medische wereld en de elektrotechnische instelling. Hij ontving de American Medical Association's (AMAj Ludwig Hekton gouden medaille in 1961 en 1972, en de American Institute of Electrical Engineering's Edi-son Medal in 1962. Johns Hopkins schonk Kouwenhoven een ere-MD in 1969 (hij is de enige persoon die ooit ontving deze onderscheiding. Hij won de Albert Lasker Clinical Research Award in 1973. Kouwenhoven overleed op 10 november 1975.

In de jaren zestig ontdekten wetenschappers dat gelijkstroomdefibrillatoren minder nadelige bijwerkingen hadden en effectiever waren dan wisselstroomdefibrillatoren. In 1967 toonden Pantridge en Geddes aan dat het gebruik van een mobiele, op batterijen werkende gelijkstroomdefibrillator levens kan redden. Eind jaren zestig werd een implanteerbare defibrillator geïntroduceerd door Dr. Michael Mirowski. Zowel interne als externe defibrillatoren werden in de jaren 70 opnieuw ontworpen om automatisch ventriculaire fibrillatie te detecteren. Toen verbeteringen in elektronica en computers beschikbaar kwamen, werden deze technologieën aangepast aan defibrillatoren.

Tegenwoordig is defibrillatie een integraal onderdeel geworden van de routine voor noodhulp. In feite beschouwt de American Heart Association defibrillatie als een elementaire levensondersteunende vaardigheid voor paramedici en reddingswerkers.

Grondstoffen

Biocompatibele grondstoffen moeten worden gebruikt bij de constructie van defibrillatoren omdat ze interactie hebben met patiënten. De materialen moeten ook farmacologisch inert, niet-toxisch, steriliseerbaar en functioneel zijn in een verscheidenheid aan omgevingsomstandigheden. De verschillende onderdelen van de defibrillator, inclusief de behuizing van de schakelkast, de micro-elektronica en de elektroden, zijn allemaal gemaakt van biocompatibele materialen. Meestal is de behuizing gemaakt van een hard polystyreen plastic of een lichtgewicht metaallegering. De elektroden zijn gemaakt van titanium en siliconenrubber. De micro-elektronica is gemaakt van gemodificeerde siliciumhalfgeleiders. De primaire materialen die bij de batterijconstructie worden gebruikt, kunnen talrijke verbindingen bevatten, zoals loodzuur, nikkel-cadmium, zink, lithium, zwaveldioxide en mangaandioxide.

Ontwerp

Het basisontwerp van een externe defibrillator omvat een schakelkast, een stroombron, afgifte-elektroden, kabels en connectoren. Hoewel deze apparaten soms bij patiënten worden geïmplanteerd, richt dit werk zich op draagbare eenheden die worden gebruikt in ziekenhuizen en spoedeisende hulp.

Bediening

De schakelkast is een kleine, lichtgewicht, plastic behuizing. Het bevat de stroomopwekkings- en opslagcircuits. Over het algemeen wordt de lading die aan de patiënt wordt afgegeven, gegenereerd door hoogspanningsopwekkingscircuits uit energie die is opgeslagen in een condensatorbank in de regelkast. De condensatorbank kan tot 7 kV elektriciteit bevatten. De schok die door dit systeem kan worden afgegeven, kan variëren van 30-400 joule. De besturingskast bevat ook de besturingselektronica en de invoerknoppen voor de operator. De typische bedieningselementen op een defibrillatorbedieningskast zijn onder meer een aan/uit-knop, een energiekeuzeknop, een oplaadknop en een energie-ontlaadknop. Bepaalde defibrillatoren hebben speciale bedieningselementen voor interne paddles of wegwerpelektroden.

Elektroden

De elektroden zijn de componenten waarmee de defibrillator energie aan het hart van de patiënt levert. Er zijn veel soorten elektroden beschikbaar, waaronder handpaddles, interne paddles en zelfklevende, voorgegeleerde wegwerpelektroden. In het algemeen hebben wegwerpelektroden de voorkeur in noodsituaties, omdat ze voordelen hebben zoals het verhogen van de schoksnelheid en het verbeteren van de defibrillatietechniek. De grootte van de peddel is van invloed op de huidige stroom. Grotere peddels zorgen voor een lagere weerstand en zorgen ervoor dat meer stroom het hart bereikt. Grotere peddels zijn dus wenselijker. De meeste fabrikanten bieden paddles voor volwassenen met een diameter tussen 3,1 en 5,1 inch (8-13 cm), en paddles voor kinderen, die kleiner zijn.

Aangezien de huid een slechte geleider van elektriciteit is, moet er een gel worden gebruikt tussen de elektrode en de patiënt. Zonder deze geleider zou het niveau van de stroom die het hart bereikt, afnemen. Ook kan de huid worden verbrand. Hiervoor zijn verschillende gels en pasta's beschikbaar. Deze zijn samengesteld uit cosmetische ingrediënten zoals lanoline of vaseline. Chloride-ionen in de formule helpen ook bij het vormen van een geleidende brug tussen de huid en de elektrode, waardoor een betere ladingsoverdracht mogelijk is. Veel van deze materialen zijn dezelfde verbindingen die worden gebruikt voor andere medische apparaten, zoals ECG-scans.

Batterij

Batterijen zijn in wezen containers van chemische reacties. In defibrillatoren worden verschillende batterijen gebruikt. Ze worden gekenmerkt door de chemische reacties die ze bevatten en omvatten loodzuur-, lithium- en nikkel-cadmiumsystemen. Deze batterijen kunnen doorgaans worden opgeladen door een externe stroombron en wanneer ze niet in gebruik zijn, worden defibrillators aangesloten op een stopcontact opgeslagen. Aangezien extreme temperaturen een negatieve invloed hebben op de batterijen, worden defibrillators opgeslagen in gecontroleerde omgevingen. Na verloop van tijd slijten batterijen en worden ze vervangen. Dit is belangrijk omdat de chemische samenstelling van batterijen van nature corrosief en potentieel giftig is.

Geautomatiseerde externe defibrillatoren

In 1978 werd de automatische externe defibrillator geïntroduceerd. Dit apparaat is uitgerust met sensoren die op de borst worden aangebracht en bepalen of er daadwerkelijk ventrikelfibrilleren optreedt. Als het apparaat wordt gedetecteerd, roept het instructies om een ​​elektrische schok toe te dienen. Deze geautomatiseerde apparaten verminderen de training die nodig is om een ​​defibrillator te gebruiken aanzienlijk en hebben duizenden levens gered.

Het fabricageproces

Defibrillatoren zijn geavanceerde elektronische apparaten. Fabrikanten zijn doorgaans sterk afhankelijk van leveranciers om de onderdelen te produceren. Deze onderdelen worden vervolgens naar de fabrikant verzonden en samengevoegd tot het eindproduct. Het proces is dus niet lineair maar geïntegreerd.

De batterijen maken

• 1 Een type batterij dat in defibrillatoren wordt gebruikt, is een lithiumbatterij. Het ontwerp van dit type batterij omvat de aansluiting van meerdere cellen. Bij defibrillatoren zijn de cellen gemaakt van lithiummetaal en zwaveldioxidegas. Werkend onder zuurstofvrije omstandigheden, wordt het lithium gevormd tot een solide omhulsel en wordt zwaveldioxide toegevoegd.
• 2 De cel wordt vervolgens hermetisch afgesloten om te voorkomen dat het zwaveldioxidegas ontsnapt en vocht binnendringt. In één batterijontwerp zijn vier van deze lithiumcellen in serie geschakeld en verpakt in een solide behuizing. Om veiligheidsredenen is op elke cel een zekering van 8 ampère gemonteerd. Alle cellen hebben een ontluchting die kan worden gebruikt om de druk af te laten als deze te hoog wordt.

De behuizing maken

• 3 Om de behuizing en de buitenste behuizing voor de elektroden te maken, kan een proces worden gebruikt dat bekend staat als spuitgieten. Bij deze procedure worden kunststofkorrels gesmolten en in vorm geperst. De plastic korrels worden in een opvangbak geplaatst die aan de spuitgietmachine is bevestigd en gesmolten.
• 4 Het materiaal wordt vervolgens door een hydraulisch gestuurde schroef geleid. Terwijl de schroef draait, smelt het plastic verder. Het wordt door een mondstuk geleid en in de mal geïnjecteerd. De mal bestaat uit twee metalen helften die bij het samenbrengen de vorm van het onderdeel vormen. Als het plastic in de mal zit, wordt het even onder druk gehouden en daarna afgekoeld. Terwijl het afkoelt, hardt het plastic uit en neemt het de vorm van de mal aan. Een externe defibrillatorkit. De vormstukken worden gescheiden en het plastic deel valt uit op een transportband. De mal sluit zich dan weer en het proces herhaalt zich. Nadat de kunststof onderdelen uit de mal zijn geworpen, worden ze handmatig geïnspecteerd.

De elektronica maken

• 5 Het moederbord in de behuizing bevat alle elektrische circuits van de defibrillator, inclusief halfgeleiderchips, weerstanden, condensatoren en andere apparaten. Met behulp van een ingewikkelde methode die bekend staat als hybridisatie, worden deze componenten gecombineerd om een ​​enkel complex circuit te vormen. De constructie begint met een klein bord met de afdruk van de configuratie van het elektronische circuit erop.
• 6 Het bord wordt vervolgens door een computergestuurde machine bewogen die de juiste onderdelen precies daar op het bord plaatst waar ze nodig zijn. Deze actie wordt bereikt door een kop op het apparaat te plaatsen. Het houdt het elektronische onderdeel vast en drukt het op het bord.
• 7 De elektronische componenten worden vervolgens met een minimaal aantal lassen op het bord bevestigd door een soldeermachine. Het circuit mag afkoelen en wordt getest voordat het wordt aangesloten op de behuizing van de schakelkast.

Montage

• 8 De elektronische borden worden onder extreem schone omstandigheden door lijnwerkers handmatig aan de behuizing bevestigd. De planken zijn De positionering van de paddles van de defibrillator. bevestigd met verschillende schroeven en bevestigingsmiddelen. De behuizingen zijn voorzien van bedieningsknoppen en metalen elektrode-adapters. Het hele samenstel wordt met schroeven gesloten en naar een gebied gestuurd voor testen en definitieve verpakking.

Het maken van paddle-elektroden

• 9 Naast de buitenste schil, bestaan ​​de paddle-elektroden uit een metalen plaat en een kabel die ze verbindt met de hoofdmachine. De metalen plaat is een geleidende legering zoals tin. De plaat is gemaakt met behulp van een machine die een "continue caster" wordt genoemd. De caster zet gesmolten tin om in dunne platen door het tussen grote, watergekoelde rollen te persen. Een dunne laag tin(II)chloride wordt op de platen gesproeid en ze worden op de juiste maat gesneden voor de elektrode.
• 10 De kabel wordt geproduceerd door middel van een trektechniek. In deze stap wordt metaal verwarmd totdat het zacht wordt. Het wordt vervolgens uitgerold en getrokken om een ​​lange draad te produceren.
• 11 De draad wordt vervolgens doorgeknipt en gebundeld met andere draden. De bundel draden is gecoat met een relatief dikke polymere isolator en gewikkeld in een isolerende mantel. Het ene uiteinde van de draad is gesoldeerd aan de metalen plaat.
• 12 De plaat wordt vervolgens handmatig op de buitenschaal gemonteerd en de kabel wordt door een gat in de achterkant van de schaal gevoerd.
• 13 Het uiteinde van de kabel is voorzien van een adapter die in de schakelkast kan worden gestoken.

Eindmontage

• 14 Als alle componenten klaar zijn, worden ze samengebracht in een definitieve verpakking. Lijnwerkers nemen de afzonderlijke onderdelen van de machine, inclusief de elektroden, de batterij en de bedieningskast, en stoppen deze in een doos met kussens. Ze bevatten ook kabels, handleidingen en andere informatie.
• 15 Voordat een product wordt verzonden, wordt het getest om er zeker van te zijn dat het de juiste lading levert.

Kwaliteitscontrole

Door tijdens het gehele productieproces visuele en elektrische inspecties uit te voeren, wordt de kwaliteit van elke defibrillator gegarandeerd. De fabricage van elektronische circuits is bijzonder gevoelig voor verontreiniging, dus de productie vindt plaats in schone kamers met luchtstroomregeling. De kleding die door lijnassemblagemedewerkers wordt gedragen, moet pluisvrij zijn om de kans op besmetting te verkleinen. Omdat de batterijen kritiek en potentieel gevaarlijk zijn, worden ze onderworpen aan uitgebreide prestatie-, veiligheids- en stabiliteitstests. De functionele prestaties van elke voltooide defibrillator worden getest om te controleren of deze werkt. Dit kan worden bereikt door de batterij op te laden, het apparaat te ontladen en de laadoutput te meten. Om gebruik in de praktijk te simuleren, worden deze tests uitgevoerd onder verschillende omgevingsomstandigheden. Kwaliteitstests worden ook routinematig uitgevoerd nadat de defibrillatoren zijn gekocht. Technisch personeel voert onderhoudscontroles uit om de drie tot zes maanden, afhankelijk van het gebruik. Dit omvat meestal een laad-ontlaadtest.

Elk bedrijf dat medische hulpmiddelen produceert, moet zich registreren bij de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA). Ze moeten zich houden aan de kwaliteitsnormen van de FDA die bekend staan ​​als 'goede productiepraktijken'. Dit vereist uitgebreide registratieprocedures en onderwerpt de fabrikant ook aan routinematige inspectie van de faciliteit op naleving.

De Toekomst

In de toekomst zullen defibrillatoren worden verbeterd om veiliger en efficiënter te worden. Ontwerpers verbeteren bijvoorbeeld voortdurend het ontwerp van de elektrode om de kans te verkleinen dat de gebruiker van het apparaat een schok krijgt. Een recent patent uitgegeven in de Verenigde Staten beschrijft een elektrodesysteem dat voor dit doel een Y-vormige kabel gebruikt. Vooruitgang in de fabricage van geïntegreerde schakelingen zal de apparaten ook gebruiksvriendelijker en lichter maken.

Een ander belangrijk verbeterpunt is de batterijtechnologie. Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een nieuwe metaallegering gepatenteerd die de prestaties van oplaadbare batterijen aanzienlijk zou moeten verbeteren. De legering kan worden opgenomen in een nikkel/metaalhydridebatterij om de capaciteit voor het opslaan van lading aanzienlijk te vergroten. Naast deze vooruitgangsgebieden zullen ook verbeteringen in het ontwerp van defibrillatoren worden geïntroduceerd, zoals de integratie van meer sensoren om essentiële informatie over de toestand van een patiënt te geven.

Waar meer te leren

Boeken

Carr, JJ Inleiding tot biomedische apparatuurtechnologie. 2e ed. Prentice Hall Carrière en technologie, 1993.

Vos, Stuart. Menselijke fysiologie. W.C.B. Publishers, 1990.

Oever, R. V. D. Cardiale stimulatie en elektrofysiologie:een brug naar de 21 ^st Eeuw . Kluwer Acedemic Publishers, 1994.

Tijdschriften

Shakespeare, C.F. en A.J. Camin. "Elektrofysiologie, pacing en aritmie." Klinische Cardiologie 15 (1992):601-606.

Overige

Worthington, Janet Farrar. "De ingenieur die dat zou kunnen." Medisch nieuws van Hopkins. 18 maart 1998. 2 oktober 2001. .

Perry Romanowski