Défibrillateur externe

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Contexte

Un défibrillateur externe est un appareil qui délivre un choc électrique au cœur à travers la paroi thoracique. Ce choc aide à restaurer le cœur à un rythme régulier et sain. L'appareil est généralement vendu sous forme de kit composé d'une unité de commande de puissance, d'électrodes à palettes et de divers accessoires. Les pièces sont fabriquées individuellement et assemblées via un processus de production intégré. Depuis lors, les fabricants de dispositifs médicaux ont introduit divers défibrillateurs, internes et externes, qui ont ajouté des années à la vie des patients.

Pour comprendre comment un défibrillateur peut redémarrer un cœur bloqué, la physiologie de l'organe doit être prise en compte. Le cœur humain a quatre chambres, qui créent deux pompes. La pompe droite reçoit le sang appauvri en oxygène qui revient du corps et le pompe vers les poumons. La pompe gauche reçoit le sang oxygéné des poumons et le pompe vers le reste du corps. Les deux pompes ont une chambre ventriculaire et une chambre atrium et fonctionnent de manière similaire. Le sang s'accumule dans l'oreillette et est ensuite transféré dans le ventricule. Lors de la contraction, le ventricule pompe le sang loin du cœur.

La coordination de l'action de pompage est essentielle au bon fonctionnement du cœur. Une région du stimulateur cardiaque, située dans l'oreillette droite du cœur, est responsable de ce contrôle. Dans cette région, une impulsion électrique spontanée est créée par la diffusion d'ions calcium, d'ions sodium et d'ions potassium à travers les membranes cellulaires. L'impulsion ainsi créée est transférée aux chambres de l'oreillette, provoquant leur contraction, poussant le sang dans les ventricules. Après environ 150 millisecondes, l'impulsion se déplace vers les ventricules, ce qui les fait se contracter et pomper le sang hors du cœur. Au fur et à mesure que l'impulsion s'éloigne des cavités cardiaques, ces sections se détendent. Dans un cœur normal, le processus se répète ensuite.

Dans certains cas, le système de contrôle électrique du cœur fonctionne mal et entraîne un rythme cardiaque irrégulier tel qu'une fibrillation ventriculaire. Diverses conditions peuvent provoquer une fibrillation ventriculaire, notamment des artères obstruées, une mauvaise réaction à l'anesthésie et un choc électrique. Les défibrillateurs sont utilisés pour fournir un choc électrique puissant au cœur. Deux électrodes sont placées sur la poitrine et un choc est administré. Un défibrillateur typique délivre un choc pendant trois à neuf millisecondes. Pour des raisons mal comprises, le choc réinitialise essentiellement le rythme ventriculaire naturel et permet au cœur de battre normalement.

En pratique, un défibrillateur externe peut être utilisé dans un site d'urgence ou un hôpital. L'opérateur allume d'abord la machine, puis applique un gel conducteur sur les électrodes à palettes ou sur la poitrine du patient. Le niveau d'énergie est sélectionné et l'instrument est chargé. Les palettes sont placées fermement sur la poitrine dévêtue du patient avec une pression d'environ 25 lb (11 kg). Les boutons des électrodes sont enfoncés simultanément et le choc électrique est délivré. Le patient est ensuite surveillé pour un rythme cardiaque régulier. Le processus est répété si nécessaire.

Historique

La découverte qu'un cœur raté pouvait être redémarré à l'aide d'une charge électrique est l'un des grands développements de la médecine moderne. Cette idée a commencé vers 1888 quand il a été suggéré par Mac William que la fibrillation ventriculaire pourrait être la cause de la mort subite. La fibrillation ventriculaire est une condition dans laquelle le cœur bat soudainement de manière irrégulière, empêchant sa capacité de pompage du sang qui peut finalement conduire à la mort. Elle peut être causée par un blocage de l'artère coronaire, diverses anesthésies et un choc électrique.

En 1899, Prevost et Batelli ont fait la découverte cruciale que des tensions élevées appliquées à travers le cœur pouvaient arrêter la fibrillation ventriculaire chez les animaux. Divers autres scientifiques ont étudié plus avant les effets de l'électricité sur le cœur au début du XIXe siècle.

Au cours des années 1920 et 1930, la recherche dans ce domaine a été soutenue par les compagnies d'électricité parce que la fibrillation ventriculaire induite par un choc électrique a tué de nombreux travailleurs des lignes de distribution d'électricité. Hooker, William B. Kouwenhoven et Orthello Langworthy ont produit l'un des premiers succès de cette recherche. En 1933, ils ont publié les résultats d'une expérience qui a démontré qu'un courant alternatif appliqué en interne pouvait être utilisé pour produire un contre-choc qui renversait la fibrillation ventriculaire chez le chien.

En 1947, le Dr Claude Beck a signalé la première défibrillation humaine réussie. Au cours d'une intervention chirurgicale, Beck a vu son patient souffrir d'une fibrillation ventriculaire. Il a appliqué un courant alternatif de 60 Hz et a réussi à stabiliser le rythme cardiaque. Le patient a vécu et le défibrillateur est né. En 1954, Kouwenhoven et William Milnor ont démontré la première défibrillation thoracique fermée sur un chien. Ce travail impliquait l'application d'électrodes sur la paroi thoracique pour délivrer le contre-choc électrique nécessaire. En 1956, Paul Zoll a utilisé les idées apprises de Kouwenhoven et a effectué la première défibrillation externe réussie d'un humain.

William Kouwenhoven.

William Bennett Kouwenhoven est né le 13 janvier 1886 à Brooklyn. Formé en tant qu'ingénieur électricien, ses contributions les plus durables à la science sont venues du domaine médical. Grâce à sa formation en génie électrique, Kouwenhoven a inventé trois défibrillateurs différents et développé des techniques de réanimation cardio-pulmonaire (RCR).

Dans les années 1920, l'intérêt de Kouwenhoven se croise entre l'électrotechnique et la médecine. Ses travaux d'ingénierie se sont concentrés sur la transmission d'électricité par fil à haute tension. Kouwenhoven s'est intéressé au rôle possible de l'électricité dans la réanimation des animaux. Il savait que lorsqu'il était appliqué au cœur, un courant électrique pouvait le faire redémarrer.

De 1928 au milieu des années 1950, Kouwenhoven a développé trois défibrillateurs :le défibrillateur à poitrine ouverte, le défibrillateur Hopkins AC, puis Mine Safety Portable. Ceux-ci étaient destinés à être utilisés dans les deux minutes suivant le début de la fibrillation ventriculaire, et au moins un nécessitait un contact direct avec le cœur. En 1956, Kouwenhoven a commencé à développer une méthode non invasive. Lors d'une expérience sur un chien, il s'est rendu compte que le poids des palettes du défibrillateur augmentait la tension artérielle de l'animal. Sur la base de cela, Kouwenhoven a développé la RCP.

Au début des années 1960, la RCR était utilisée partout aux États-Unis. Le travail révolutionnaire de Kouwenhoven a été reconnu par la communauté médicale et l'establishment du génie électrique. Il a reçu la médaille d'or de l'American Medical Association (AMAj Ludwig Hekton en 1961 et 1972, et la médaille Edi-son de l'American Institute of Electrical Engineering en 1962. Johns Hopkins a décerné à Kouwenhoven un doctorat honorifique en médecine en 1969 (il est la seule personne à avoir jamais recevoir cet honneur). Il a remporté le Albert Lasker Clinical Research Award en 1973. Kouwenhoven est décédé le 10 novembre 1975.

Dans les années 1960, les scientifiques ont découvert que les défibrillateurs à courant continu avaient moins d'effets secondaires indésirables et étaient plus efficaces que les défibrillateurs à courant alternatif. En 1967, Pantridge et Geddes ont démontré que l'utilisation d'un défibrillateur DC mobile alimenté par batterie pouvait sauver des vies. La fin des années 60 a vu l'introduction d'un défibrillateur implantable par le Dr Michael Mirowski. Les défibrillateurs internes et externes ont été repensés dans les années 1970 pour détecter automatiquement la fibrillation ventriculaire. Au fur et à mesure que les améliorations de l'électronique et des ordinateurs sont devenues disponibles, ces technologies ont été adaptées aux défibrillateurs.

Aujourd'hui, la défibrillation est devenue une partie intégrante de la routine d'intervention d'urgence. En fait, l'American Heart Association considère la défibrillation comme une compétence de base pour les ambulanciers paramédicaux et les secouristes.

Matières premières

Des matières premières biocompatibles doivent être utilisées dans la construction des défibrillateurs car elles interagissent avec les patients. Les matériaux doivent également être pharmacologiquement inertes, non toxiques, stérilisables et fonctionnels dans diverses conditions environnementales. Les différentes parties du défibrillateur, y compris le boîtier du boîtier de commande, la microélectronique et les électrodes, sont toutes fabriquées avec des matériaux biocompatibles. Typiquement, le boîtier est fait d'un plastique polystyrène dur ou d'un alliage métallique léger. Les électrodes sont en titane et en caoutchouc de silicone. La microélectronique est constituée de semi-conducteurs en silicium modifiés. Les principaux matériaux utilisés dans la construction des batteries peuvent inclure de nombreux composés tels que le plomb acide, le nickel-cadmium, le zinc, le lithium, le dioxyde de soufre et le dioxyde de manganèse.

Conception

La conception de base d'un défibrillateur externe comprend un boîtier de commande, une source d'alimentation, des électrodes d'administration, des câbles et des connecteurs. Si ces dispositifs sont parfois implantés chez les patients, ces travaux se concentrent sur les unités portables utilisées dans les hôpitaux et les sites d'urgence.

Contrôles

Le boîtier de commande est un petit boîtier en plastique léger. Il contient les circuits de production et de stockage d'énergie. En général, la charge qui est délivrée au patient est générée par des circuits de génération haute tension à partir de l'énergie stockée dans une batterie de condensateurs dans le boîtier de commande. La batterie de condensateurs peut contenir jusqu'à 7 kV d'électricité. Le choc qui peut être délivré par ce système peut aller de 30 à 400 joules. Le boîtier de commande abrite également l'électronique de commande et les boutons d'entrée de l'opérateur. Les commandes typiques d'un boîtier de commande de défibrillateur comprennent un bouton de commande d'alimentation, une commande de sélection d'énergie, un bouton de charge et un bouton de décharge d'énergie. Certains défibrillateurs ont des commandes spéciales pour les palettes internes ou les électrodes jetables.

Électrodes

Les électrodes sont les composants à travers lesquels le défibrillateur fournit de l'énergie au cœur du patient. De nombreux types d'électrodes sont disponibles, notamment des palettes à main, des palettes internes et des électrodes jetables pré-gélifiées auto-adhésives. En général, les électrodes jetables sont préférées dans les situations d'urgence car elles présentent des avantages tels que l'augmentation de la vitesse du choc et l'amélioration de la technique de défibrillation. La taille de la palette affecte le flux de courant. Des palettes plus grandes créent une résistance plus faible et permettent à plus de courant d'atteindre le cœur. Ainsi, des palettes plus grandes sont plus souhaitables. La plupart des fabricants proposent des pagaies pour adultes, d'un diamètre compris entre 3,1 et 5,1 pouces (8-13 cm), et des pagaies pédiatriques, qui sont plus petites.

La peau étant un mauvais conducteur d'électricité, un gel doit être utilisé entre l'électrode et le patient. Sans ce conducteur, le niveau du courant atteignant le cœur serait réduit. En outre, la peau peut être brûlée. Une variété de gels et de pâtes sont disponibles à cet effet. Ceux-ci sont composés d'ingrédients cosmétiques comme la lanoline ou la vaseline. Les ions chlorure dans la formule aident également à former un pont conducteur entre la peau et l'électrode permettant un meilleur transfert de charge. Bon nombre de ces matériaux sont les mêmes composés que ceux utilisés pour d'autres dispositifs médicaux tels que les ECG.

Batterie

Les batteries sont essentiellement des conteneurs de réactions chimiques. Dans les défibrillateurs, une variété de batteries sont utilisées. Ils se caractérisent par les réactions chimiques qu'ils contiennent et comprennent les systèmes plomb-acide, lithium et nickel-cadmium. Ces batteries peuvent généralement être rechargées par une source d'alimentation extérieure et, lorsqu'elles ne sont pas utilisées, les défibrillateurs sont stockés branchés. Étant donné que les températures extrêmes affectent négativement les batteries, les défibrillateurs sont stockés dans des environnements contrôlés. Au fil du temps, les batteries s'usent et sont remplacées. Ceci est important car les chimies des batteries sont intrinsèquement corrosives et potentiellement toxiques.

Défibrillateurs externes automatisés

En 1978, le défibrillateur externe automatisé a été introduit. Cet appareil est équipé de capteurs qui sont appliqués sur la poitrine et déterminent si une fibrillation ventriculaire se produit réellement. S'il est détecté, l'appareil appelle des instructions pour délivrer un choc électrique. Ces appareils automatisés réduisent considérablement la formation requise pour utiliser un défibrillateur et ont sauvé des milliers de vies.

Le processus de fabrication

Les défibrillateurs sont des appareils électroniques sophistiqués. En règle générale, les fabricants dépendent fortement des fournisseurs pour produire les composants. Ces pièces sont ensuite expédiées au fabricant et assemblées pour former le produit final. Le processus n'est donc pas linéaire mais intégré.

Fabrication des piles

• 1 Un type de batterie utilisé dans les défibrillateurs est une batterie au lithium. La conception de ce type de batterie implique la connexion de plusieurs cellules. Pour les défibrillateurs, les cellules sont constituées de lithium métal et de dioxyde de soufre gazeux. Travaillant dans des conditions sans oxygène, le lithium est façonné dans un boîtier solide et du dioxyde de soufre est ajouté.
• 2 La cellule est ensuite hermétiquement fermée pour empêcher le dioxyde de soufre gazeux de s'échapper et l'humidité d'entrer. Dans une conception de batterie, quatre de ces cellules au lithium sont câblées en série et emballées dans un boîtier solide. Un fusible de 8 ampères est monté sur chaque cellule pour des raisons de sécurité. Toutes les cellules ont un évent qui peut être utilisé pour relâcher la pression si elle s'accumule trop.

Création du boîtier

• 3 Pour fabriquer le boîtier et le boîtier extérieur des électrodes, un procédé connu sous le nom de moulage par injection peut être utilisé. Dans cette procédure, des pastilles de plastique sont fondues et mises en forme. Les pastilles de plastique sont placées dans un bac de rétention fixé à la machine de moulage par injection et fondues.
• 4 Le matériau est ensuite passé à travers une vis à commande hydraulique. Au fur et à mesure que la vis tourne, le plastique fond davantage. Il est dirigé à travers une buse et injecté dans le moule. Le moule est composé de deux moitiés métalliques qui forment la forme de la pièce lorsqu'elles sont réunies. Lorsque le plastique est dans le moule, il est maintenu sous pression un instant puis refroidi. En refroidissant, le plastique durcit et prend la forme du moule. Un kit de défibrillateur externe. Les pièces du moule sont séparées et la pièce en plastique tombe sur un convoyeur. Le moule se referme ensuite et le processus est répété. Une fois les pièces en plastique éjectées du moule, elles sont inspectées manuellement.

Réalisation de l'électronique

• 5 La carte mère à l'intérieur du boîtier contient tous les circuits électriques du défibrillateur, y compris les puces semi-conductrices, les résistances, les condensateurs et d'autres dispositifs. En utilisant une méthode complexe connue sous le nom d'hybridation, ces composants sont combinés pour former un seul circuit complexe. La construction commence par une petite carte sur laquelle est imprimée la configuration du circuit électronique.
• 6 La carte est ensuite déplacée à travers une machine informatisée qui place les composants appropriés exactement là où ils sont nécessaires sur la carte. Cette action est accomplie en plaçant la tête sur l'appareil. Il maintient le composant électronique et l'appuie sur la carte.
• 7 Les composants électroniques sont ensuite fixés sur la carte par une machine à souder en utilisant un nombre minimum de soudures. Les circuits peuvent refroidir et sont testés avant d'être connectés au boîtier du boîtier de commande.

Assemblage

• 8 Les cartes électroniques sont fixées manuellement au boîtier par les monteurs de ligne dans des conditions de propreté extrême. Les planches sont Le positionnement des palettes du défibrillateur. fixé avec diverses vis et attaches. Les boîtiers sont équipés de boutons de commande et d'adaptateurs d'électrodes métalliques. L'ensemble est fermé avec des vis et envoyé dans une zone de test et d'emballage final.

Fabrication d'électrodes à palettes

• 9 En plus de l'enveloppe extérieure, les électrodes à palettes sont constituées d'une plaque métallique et d'un câble qui les relie à la machine principale. La plaque métallique est un alliage conducteur tel que l'étain. La plaque est réalisée à l'aide d'une machine appelée « couleur continue ». La roulette convertit l'étain fondu en feuilles minces en le forçant entre de grands rouleaux refroidis à l'eau. Une fine couche de chlorure stanneux est pulvérisée sur les feuilles, et elles sont coupées à la taille appropriée pour l'électrode.
• 10 Le câble est réalisé par une technique d'étirage. Dans cette étape, le métal est chauffé jusqu'à ce qu'il ramollisse. Il est ensuite déroulé et étiré pour produire un long fil.
• 11 Le fil est ensuite coupé et groupé avec d'autres fils. Le faisceau de fils est recouvert d'un isolant polymère relativement épais et enveloppé dans une gaine isolante. Une extrémité du fil est soudée à la plaque métallique.
• 12 La plaque est ensuite montée manuellement sur la coque extérieure et le câble est passé par un trou à l'arrière de la coque.
• 13 L'extrémité du câble est équipée d'un adaptateur qui peut être branché sur le boîtier de commande.

Assemblage final

• 14 Lorsque tous les composants sont terminés, ils sont rassemblés dans un emballage final. Les monteurs de ligne prennent les pièces individuelles de la machine, y compris les électrodes, la batterie et le boîtier de commande, et les placent dans une boîte rembourrée. Ils comprennent également des câbles, des manuels d'instructions et d'autres informations.
• 15 Avant qu'un produit ne soit expédié, il est testé pour s'assurer qu'il délivre la charge appropriée.

Contrôle qualité

La réalisation d'inspections visuelles et électriques tout au long du processus de production garantit la qualité de chaque défibrillateur. La fabrication de circuits électroniques est particulièrement sensible à la contamination, de sorte que la production est effectuée dans des salles blanches à débit d'air contrôlé. Les vêtements portés par les travailleurs de l'assemblage de la chaîne doivent être non pelucheux pour aider à réduire les risques de contamination. Étant donné que les batteries sont critiques et potentiellement dangereuses, elles sont soumises à des tests approfondis de performance, de sécurité et de stabilité. Les performances fonctionnelles de chaque défibrillateur terminé sont testées pour s'assurer qu'il fonctionne. Cela peut être accompli en chargeant la batterie, en déchargeant l'appareil et en mesurant la sortie de charge. Pour simuler une utilisation réelle, ces tests sont effectués dans des conditions environnementales différentes. Des tests de qualité sont également effectués régulièrement après l'achat des défibrillateurs. Le personnel technique effectue des contrôles de maintenance tous les trois à six mois en fonction de l'utilisation. Cela implique généralement un test de charge-décharge.

Chaque entreprise qui fabrique des dispositifs médicaux doit s'enregistrer auprès de la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis. Ils doivent adhérer aux normes de qualité de la FDA connues sous le nom de « bonnes pratiques de fabrication ». Cela nécessite des procédures de tenue de dossiers approfondies et soumet également le fabricant à une inspection de routine de l'installation pour vérifier la conformité.

Le futur

À l'avenir, les défibrillateurs seront améliorés pour devenir plus sûrs et plus efficaces. Par exemple, les concepteurs améliorent continuellement la conception des électrodes pour réduire les risques que l'opérateur de l'appareil soit choqué. Un brevet récent délivré aux États-Unis décrit un système d'électrodes qui utilise un câble en forme de Y uniquement à cette fin. Les progrès dans la fabrication de circuits intégrés rendront également les dispositifs plus faciles à utiliser et plus légers.

Un autre domaine d'amélioration important se situera dans la technologie des batteries. Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis ont breveté un nouvel alliage métallique qui devrait grandement améliorer les performances des batteries rechargeables. L'alliage peut être incorporé dans une batterie nickel/hydrure métallique pour fournir une augmentation significative de la capacité de stockage de charge. En plus de ces domaines de progrès, des améliorations dans la conception des défibrillateurs, telles que l'incorporation de plus de capteurs pour fournir des informations vitales sur l'état d'un patient, seront également introduites.

Où en savoir plus

Livres

Carr, J. J. Introduction à la technologie des équipements biomédicaux. 2e éd. Prentice Hall Carrière et technologie, 1993.

Renard, Stuart. Physiologie humaine. Éditeurs W.C.B., 1990.

Oever, R. V. D. Stimulation cardiaque et électrophysiologie :un pont vers le 21 ^er Siècle . Kluwer Acedemic Publishers, 1994.

Périodiques

Shakespeare, C.F. et A.J. Camin. "Électrophysiologie, stimulation et arythmie." Cardiologie Clinique 15 (1992):601-606.

Autre

Worthington, Janet Farrar. "L'ingénieur qui pouvait." Hopkins Medical News. 18 mars 1998. 2 octobre 2001. .

Perry Romanowski