Externer Defibrillator

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Hintergrund

Ein externer Defibrillator ist ein Gerät, das dem Herzen durch die Brustwand einen elektrischen Schlag abgibt. Dieser Schock hilft dem Herzen, einen regelmäßigen, gesunden Rhythmus wiederherzustellen. Das Gerät wird im Allgemeinen als Kit verkauft, das aus einer Leistungskontrolleinheit, Paddelelektroden und verschiedenem Zubehör besteht. Die Teile werden einzeln gefertigt und über einen integrierten Produktionsprozess zusammengesetzt. Seitdem haben Hersteller von Medizinprodukten verschiedene interne und externe Defibrillatoren eingeführt, die das Leben der Patienten um Jahre verlängert haben.

Um zu verstehen, wie ein Defibrillator ein blockiertes Herz neu starten kann, muss die Physiologie des Organs berücksichtigt werden. Das menschliche Herz hat vier Kammern, die zwei Pumpen erzeugen. Die rechte Pumpe nimmt das aus dem Körper zurückströmende sauerstoffarme Blut auf und pumpt es in die Lunge. Die linke Pumpe nimmt das sauerstoffreiche Blut aus der Lunge auf und pumpt es in den Rest des Körpers. Beide Pumpen haben eine Ventrikelkammer und eine Vorhofkammer und arbeiten auf ähnliche Weise. Das Blut sammelt sich im Vorhof und wird dann in die Herzkammer geleitet. Bei der Kontraktion pumpt die Herzkammer das Blut vom Herzen weg.

Die Koordination des Pumpvorgangs ist entscheidend für die korrekte Funktion des Herzens. Für diese Steuerung ist eine Schrittmacherregion zuständig, die sich im rechten Vorhof des Herzens befindet. In dieser Region wird durch die Diffusion von Calcium-, Natrium- und Kaliumionen durch die Zellmembranen ein spontaner elektrischer Impuls erzeugt. Der so erzeugte Impuls wird auf die Vorhofkammern übertragen, wodurch sie sich zusammenziehen und Blut in die Herzkammern drücken. Nach etwa 150 Millisekunden wandert der Impuls zu den Herzkammern, wodurch sie sich zusammenziehen und Blut aus dem Herzen pumpen. Wenn sich der Impuls von den Herzkammern wegbewegt, entspannen sich diese Abschnitte. Bei einem normalen Herzen wiederholt sich der Vorgang dann.

In einigen Fällen funktioniert das elektrische Kontrollsystem des Herzens nicht richtig und führt zu einem unregelmäßigen Herzschlag, wie zum Beispiel Kammerflimmern. Verschiedene Zustände können zu Kammerflimmern führen, darunter verstopfte Arterien, schlechte Reaktion auf die Anästhesie und Elektroschock. Defibrillatoren werden verwendet, um dem Herzen einen starken elektrischen Schlag zu verabreichen. Zwei Elektroden werden auf die Brust gelegt und ein Schock gegeben. Ein typisches Defibrillatorgerät gibt einen Schock für drei bis neun Millisekunden ab. Aus nicht ganz verstandenen Gründen stellt der Schock im Wesentlichen den natürlichen ventrikulären Rhythmus zurück und lässt das Herz normal schlagen.

In der Praxis kann ein externer Defibrillator an einer Notaufnahme oder einem Krankenhaus betrieben werden. Der Bediener schaltet zuerst das Gerät ein und trägt dann ein leitfähiges Gel auf die Paddle-Elektroden oder die Brust des Patienten auf. Die Energiestufe wird gewählt und das Instrument wird geladen. Die Paddles werden mit einem Druck von etwa 11 kg (25 lb) fest auf der unbekleideten Brust des Patienten platziert. Die Tasten an den Elektroden werden gleichzeitig gedrückt und der Elektroschock wird abgegeben. Der Patient wird dann auf einen regelmäßigen Herzschlag überwacht. Der Vorgang wird bei Bedarf wiederholt.

Verlauf

Die Entdeckung, dass ein fehlzündendes Herz mit einer elektrischen Ladung wieder in Gang gesetzt werden kann, ist eine der großen Entwicklungen der modernen Medizin. Diese Idee entstand um 1888, als Mac William vorschlug, dass Kammerflimmern die Ursache für den plötzlichen Tod sein könnte. Kammerflimmern ist ein Zustand, bei dem das Herz plötzlich unregelmäßig schlägt und seine Fähigkeit zum Pumpen des Blutes verhindert, was letztendlich zum Tod führen kann. Es kann durch eine Blockade der Koronararterien, verschiedene Anästhesie und einen elektrischen Schlag verursacht werden.

Im Jahr 1899 machten Prevost und Batelli die entscheidende Entdeckung, dass große Spannungen am Herzen das Kammerflimmern bei Tieren stoppen können. Verschiedene andere Wissenschaftler untersuchten im frühen 19. Jahrhundert die Auswirkungen von Elektrizität auf das Herz.

In den 1920er und 1930er Jahren wurde die Forschung auf diesem Gebiet von den Energieversorgungsunternehmen unterstützt, da durch Elektroschocks induziertes Kammerflimmern viele Arbeiter von Stromversorgern tötete. Hooker, William B. Kouwenhoven und Orthello Langworthy erbrachten einen der ersten Erfolge dieser Forschung. 1933 veröffentlichten sie die Ergebnisse eines Experiments, das zeigte, dass ein intern angelegter Wechselstrom verwendet werden konnte, um einen Gegenschock zu erzeugen, der das Kammerflimmern bei Hunden umkehrte.

1947 berichtete Dr. Claude Beck über die erste erfolgreiche Defibrillation beim Menschen. Während einer Operation sah Beck bei seinem Patienten ein Kammerflimmern. Er legte 60 Hz Wechselstrom an und konnte den Herzschlag stabilisieren. Der Patient lebte und der Defibrillator wurde geboren. 1954 demonstrierten Kouwenhoven und William Milnor die erste Defibrillation der geschlossenen Brust bei einem Hund. Diese Arbeit beinhaltete das Anbringen von Elektroden an der Brustwand, um den notwendigen elektrischen Gegenschock zu verabreichen. 1956 nutzte Paul Zoll die von Kouwenhoven gelernten Ideen und führte die erste erfolgreiche externe Defibrillation eines Menschen durch.

William Kouwenhoven.

William Bennett Kouwenhoven wurde am 13. Januar 1886 in Brooklyn geboren. Als Elektroingenieur ausgebildet, kamen seine nachhaltigsten Beiträge zur Wissenschaft aus dem medizinischen Bereich. Mit seinem elektrotechnischen Hintergrund erfand Kouwenhoven drei verschiedene Defibrillatoren und entwickelte Techniken zur Herz-Lungen-Wiederbelebung (HLW).

In den 1920er Jahren kreuzte sich Kouwenhovens Interesse zwischen Elektrotechnik und Medizin. Seine Ingenieurtätigkeit konzentrierte sich auf die Hochspannungsdrahtübertragung von Elektrizität. Kouwenhoven interessierte sich für die mögliche Rolle der Elektrizität bei der Wiederbelebung von Tieren. Er wusste, dass ein elektrischer Strom, wenn er an das Herz angelegt wird, es wieder in Gang setzen kann.

Von 1928 bis Mitte der 1950er Jahre entwickelte Kouwenhoven drei Defibrillatoren:den Defibrillator mit offener Brust, den Hopkins AC-Defibrillator und dann Mine Safety Portable. Diese sollten innerhalb von zwei Minuten nach Beginn des Kammerflimmerns verwendet werden, und mindestens eine erforderte einen direkten Kontakt mit dem Herzen. 1956 begann Kouwenhoven mit der Entwicklung einer nicht-invasiven Methode. Während eines Experiments an einem Hund stellte er fest, dass das Gewicht der Paddles des Defibrillators den Blutdruck des Tieres erhöhte. Darauf aufbauend hat Kouwenhoven CPR entwickelt.

In den frühen 1960er Jahren wurde CPR in den gesamten Vereinigten Staaten eingesetzt. Kouwenhovens bahnbrechende Arbeit wurde von der medizinischen Fachwelt und der Elektrotechnik anerkannt. Er wurde 1961 und 1972 mit der AMAj Ludwig Hekton Goldmedaille der American Medical Association und 1962 mit der Edi-son Medal des American Institute of Electrical Engineering ausgezeichnet erhielt diese Ehrung). Er gewann 1973 den Albert Lasker Clinical Research Award. Kouwenhoven starb am 10. November 1975.

In den 1960er Jahren entdeckten Wissenschaftler, dass Gleichstrom-Defibrillatoren weniger Nebenwirkungen hatten und effektiver waren als Wechselstrom-Defibrillatoren. 1967 demonstrierten Pantridge und Geddes, dass der Einsatz eines mobilen, batteriebetriebenen DC-Defibrillators Leben retten kann. Ende der 60er Jahre führte Dr. Michael Mirowski einen implantierbaren Defibrillator ein. Sowohl interne als auch externe Defibrillatoren wurden in den 1970er Jahren neu entwickelt, um Kammerflimmern automatisch zu erkennen. Als Verbesserungen in der Elektronik und den Computern verfügbar wurden, wurden diese Technologien an Defibrillatoren angepasst.

Heute ist die Defibrillation ein fester Bestandteil der Notfallroutine. Tatsächlich betrachtet die American Heart Association die Defibrillation als eine grundlegende lebenserhaltende Fertigkeit für Sanitäter und Rettungskräfte.

Rohstoffe

Beim Bau von Defibrillatoren müssen biokompatible Rohstoffe verwendet werden, da sie mit Patienten interagieren. Die Materialien müssen auch pharmakologisch inert, ungiftig, sterilisierbar und in einer Vielzahl von Umgebungsbedingungen funktionsfähig sein. Die verschiedenen Teile des Defibrillators, einschließlich des Gehäuses der Steuerbox, der Mikroelektronik und der Elektroden, bestehen alle aus biokompatiblen Materialien. Typischerweise besteht das Gehäuse aus einem harten Polystyrol-Kunststoff oder einer leichten Metalllegierung. Die Elektroden bestehen aus Titan und Silikonkautschuk. Die Mikroelektronik besteht aus modifizierten Silizium-Halbleitern. Die im Batteriebau verwendeten Primärmaterialien können zahlreiche Verbindungen wie Bleisäure, Nickel-Cadmium, Zink, Lithium, Schwefeldioxid und Mangandioxid umfassen.

Design

Das grundlegende Design eines externen Defibrillators umfasst einen Steuerkasten, eine Stromquelle, Abgabeelektroden, Kabel und Anschlüsse. Während diese Geräte manchmal in Patienten implantiert werden, konzentriert sich diese Arbeit auf tragbare Einheiten, die in Krankenhäusern und Notfallorten verwendet werden.

Steuerung

Die Steuerbox ist ein kleines, leichtes Kunststoffgehäuse. Es enthält die Stromerzeugungs- und Speicherkreise. Im Allgemeinen wird die dem Patienten zugeführte Ladung durch Hochspannungserzeugungsschaltungen aus Energie erzeugt, die in einer Kondensatorbank im Steuerkasten gespeichert ist. Die Kondensatorbank kann bis zu 7 kV Strom aufnehmen. Der Schock, der von diesem System abgegeben werden kann, kann zwischen 30 und 400 Joule betragen. Im Schaltkasten befinden sich auch die Steuerelektronik und die Bedientasten. Zu den typischen Bedienelementen an einem Defibrillator-Steuerkasten gehören ein Netzschalter, ein Energieauswahlschalter, ein Ladeknopf und ein Energieentladeknopf. Bestimmte Defibrillatoren verfügen über spezielle Bedienelemente für interne Paddles oder Einwegelektroden.

Elektroden

Die Elektroden sind die Komponenten, über die der Defibrillator Energie an das Herz des Patienten liefert. Es sind viele Arten von Elektroden erhältlich, darunter handgehaltene Paddles, interne Paddles und selbstklebende, vorgelierte Einwegelektroden. Im Allgemeinen werden Einwegelektroden in Notfallsituationen bevorzugt, da sie Vorteile wie die Erhöhung der Schockgeschwindigkeit und die Verbesserung der Defibrillationstechnik haben. Die Paddelgröße beeinflusst den Stromfluss. Größere Paddel erzeugen einen geringeren Widerstand und ermöglichen mehr Strom, das Herz zu erreichen. Daher sind größere Paddel wünschenswerter. Die meisten Hersteller bieten Paddles für Erwachsene mit einem Durchmesser von 8-13 cm für Erwachsene und kleinere Paddles für Kinder an.

Da die Haut den Strom schlecht leitet, muss zwischen Elektrode und Patient ein Gel verwendet werden. Ohne diesen Leiter würde die Stromstärke, die das Herz erreicht, reduziert werden. Außerdem kann die Haut verbrannt werden. Hierfür stehen verschiedene Gele und Pasten zur Verfügung. Diese setzen sich aus kosmetischen Inhaltsstoffen wie Lanolin oder Vaseline zusammen. Chloridionen in der Formel helfen auch, eine leitfähige Brücke zwischen der Haut und der Elektrode zu bilden, die eine bessere Ladungsübertragung ermöglicht. Viele dieser Materialien sind die gleichen Verbindungen, die für andere medizinische Geräte wie EKG-Scans verwendet werden.

Akku

Batterien sind im Wesentlichen Behälter für chemische Reaktionen. In Defibrillatoren werden verschiedene Batterien verwendet. Sie zeichnen sich durch die darin enthaltenen chemischen Reaktionen aus und umfassen Blei-Säure-, Lithium- und Nickel-Cadmium-Systeme. Diese Batterien können normalerweise von einer externen Stromquelle aufgeladen werden, und wenn Defibrillatoren nicht verwendet werden, werden sie angeschlossen gelagert. Da extreme Temperaturen die Batterien negativ beeinflussen, werden Defibrillatoren in kontrollierten Umgebungen gelagert. Mit der Zeit verschleißen die Batterien und werden ersetzt. Dies ist wichtig, da die Batteriechemie von Natur aus korrosiv und potenziell toxisch ist.

Automatisierte externe Defibrillatoren

1978 wurde der automatisierte externe Defibrillator eingeführt. Dieses Gerät ist mit Sensoren ausgestattet, die am Brustkorb angebracht werden und feststellen, ob tatsächlich Kammerflimmern auftritt. Wenn es erkannt wird, ruft das Gerät Anweisungen zur Abgabe eines elektrischen Schlags aus. Diese automatisierten Geräte reduzieren den Schulungsaufwand für die Verwendung eines Defibrillators erheblich und haben Tausende von Leben gerettet.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Defibrillatoren sind hochentwickelte elektronische Geräte. Typischerweise verlassen sich Hersteller stark auf Lieferanten, um die Komponententeile herzustellen. Diese Teile werden dann an den Hersteller versandt und zum Endprodukt zusammengesetzt. Der Prozess ist daher nicht linear, sondern integriert.

Herstellen der Batterien

• 1 Ein Batterietyp, der in Defibrillatoren verwendet wird, ist eine Lithiumbatterie. Das Design dieser Art von Batterie beinhaltet die Verbindung mehrerer Zellen. Bei Defibrillatoren bestehen die Zellen aus Lithiummetall und Schwefeldioxidgas. Unter sauerstofffreien Bedingungen wird das Lithium zu einem festen Gehäuse geformt und mit Schwefeldioxid versetzt.
• 2 Anschließend wird die Zelle hermetisch verschlossen, um das Entweichen des Schwefeldioxidgases und das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern. In einem Batteriedesign sind vier dieser Lithium-Zellen in Reihe geschaltet und in einem soliden Gehäuse verpackt. Aus Sicherheitsgründen ist an jeder Zelle eine 8-A-Sicherung angebracht. Alle Zellen verfügen über eine Entlüftung, die verwendet werden kann, um den Druck abzulassen, wenn er zu hoch aufbaut.

Erstellen des Gehäuses

• 3 Um das Gehäuse und das Außengehäuse für die Elektroden herzustellen, kann ein als Spritzgießen bekannter Prozess verwendet werden. Bei diesem Verfahren werden Kunststoffpellets geschmolzen und in Form gebracht. Das Kunststoffgranulat wird in einen an der Spritzgussmaschine angebrachten Vorratsbehälter gegeben und aufgeschmolzen.
• 4 Anschließend wird das Material durch eine hydraulisch gesteuerte Schnecke geleitet. Während sich die Schnecke dreht, schmilzt der Kunststoff weiter. Es wird durch eine Düse geleitet und in die Form eingespritzt. Die Form besteht aus zwei Metallhälften, die beim Zusammenfügen die Form des Teils bilden. Befindet sich der Kunststoff in der Form, wird er kurz unter Druck gehalten und dann abgekühlt. Beim Abkühlen härtet der Kunststoff aus und nimmt die Form der Form an. Ein externes Defibrillator-Kit. Die Formteile werden vereinzelt und das Kunststoffteil fällt auf ein Förderband. Anschließend schließt sich die Form wieder und der Vorgang wiederholt sich. Nachdem die Kunststoffteile aus der Form ausgeworfen wurden, werden sie manuell inspiziert.

Herstellung der Elektronik

• 5 Das Motherboard im Inneren des Gehäuses enthält alle elektrischen Schaltkreise des Defibrillators, einschließlich Halbleiterchips, Widerstände, Kondensatoren und andere Geräte. Mithilfe eines komplizierten Verfahrens, das als Hybridisierung bekannt ist, werden diese Komponenten zu einer einzigen komplexen Schaltung kombiniert. Der Bau beginnt mit einer kleinen Platine, auf der sich der Ausdruck der elektronischen Schaltungskonfiguration befindet.
• 6 Die Platine wird dann durch eine computergesteuerte Maschine bewegt, die die entsprechenden Komponenten genau dort platziert, wo sie auf der Platine benötigt werden. Diese Aktion wird durch ein Aufsetzen des Kopfes auf das Gerät erreicht. Er hält das elektronische Bauteil und drückt es auf die Platine.
• 7 Anschließend werden die elektronischen Bauteile mit einer Lötmaschine mit minimalen Schweißnähten auf der Platine befestigt. Die Schaltung wird abkühlen gelassen und getestet, bevor sie an das Gehäuse des Schaltkastens angeschlossen wird.

Montage

• 8 Die elektronischen Platinen werden von Linienarbeitern unter extrem sauberen Bedingungen manuell am Gehäuse befestigt. Die Bretter sind Die Positionierung der Paddles des Defibrillators. mit diversen Schrauben und Befestigungselementen befestigt. Die Gehäuse sind mit Bedienknöpfen und Metallelektrodenadaptern ausgestattet. Die gesamte Baugruppe wird mit Schrauben verschlossen und einem Bereich zur Prüfung und Endverpackung zugeführt.

Paddelelektroden herstellen

• 9 Neben der Außenhülle bestehen die Paddelelektroden aus einer Metallplatte und einem Kabel, das sie mit der Hauptmaschine verbindet. Die Metallplatte ist eine leitende Legierung wie Zinn. Die Platte wird mit einer Maschine hergestellt, die als "Stranggießmaschine" bezeichnet wird. Die Gießmaschine wandelt geschmolzenes Zinn in dünne Bleche um, indem sie es zwischen großen, wassergekühlten Walzen zwängt. Die Bleche werden mit einer dünnen Schicht Zinnchlorid besprüht und auf die für die Elektrode passende Größe zugeschnitten.
• 10 Das Kabel wird im Ziehverfahren hergestellt. In diesem Schritt wird Metall erhitzt, bis es erweicht. Anschließend wird er ausgerollt und zu einem langen Draht gezogen.
• 11 Der Draht wird dann geschnitten und mit anderen Drähten gebündelt. Das Drahtbündel ist mit einem relativ dicken Polymerisolator beschichtet und in eine isolierende Hülle eingewickelt. Ein Ende des Drahtes wird an die Metallplatte gelötet.
• 12 Anschließend wird die Platte manuell auf die Außenhülle aufgesetzt und das Kabel durch ein Loch in der Rückseite der Hülle geführt.
• 13 Am Ende des Kabels befindet sich ein Adapter, der in die Kontrollbox eingesteckt werden kann.

Endmontage

• 14 Wenn alle Komponenten fertig sind, werden sie in einer Endverpackung zusammengeführt. Die Linienarbeiter nehmen die Einzelteile der Maschine inklusive Elektroden, Batterie und Steuerkasten und legen sie in eine gepolsterte Kiste. Sie enthalten auch Kabel, Bedienungsanleitungen und andere Informationen.
• 15 Bevor ein Produkt versandt wird, wird es getestet, um sicherzustellen, dass es die richtige Ladung liefert.

Qualitätskontrolle

Durch visuelle und elektrische Kontrollen während des gesamten Produktionsprozesses wird die Qualität jedes Defibrillators sichergestellt. Die Herstellung elektronischer Schaltungen ist besonders empfindlich gegenüber Verschmutzung, daher erfolgt die Produktion in luftstromkontrollierten Reinräumen. Die von Fließbandarbeitern getragene Kleidung muss fusselfrei sein, um das Risiko einer Kontamination zu verringern. Da die Batterien kritisch und potenziell gefährlich sind, werden sie umfangreichen Leistungs-, Sicherheits- und Stabilitätstests unterzogen. Die Funktionstüchtigkeit jedes fertiggestellten Defibrillators wird getestet, um sicherzustellen, dass er funktioniert. Dies kann durch Laden des Akkus, Entladen des Geräts und Messen der Ladeleistung erfolgen. Um den realen Einsatz zu simulieren, werden diese Tests unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen durchgeführt. Qualitätstests werden auch routinemäßig nach dem Kauf der Defibrillatoren durchgeführt. Das technische Personal führt je nach Nutzung alle drei bis sechs Monate Wartungskontrollen durch. Dies beinhaltet typischerweise einen Lade-Entlade-Test.

Jedes Unternehmen, das Medizinprodukte herstellt, muss sich bei der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) registrieren. Sie müssen die als "gute Herstellungspraxis" bekannten Qualitätsstandards der FDA einhalten. Dies erfordert umfangreiche Protokollierungsverfahren und unterzieht den Hersteller auch einer routinemäßigen Inspektion der Einrichtung auf Konformität.

Die Zukunft

In Zukunft werden Defibrillatoren verbessert, um sicherer und effizienter zu werden. Beispielsweise verbessern Designer ständig das Elektrodendesign, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass der Bediener des Geräts einen Schock bekommt. Ein kürzlich in den Vereinigten Staaten erteiltes Patent beschreibt ein Elektrodensystem, das zu genau diesem Zweck ein Y-förmiges Kabel verwendet. Fortschritte bei der Herstellung integrierter Schaltkreise werden die Vorrichtungen auch einfacher zu verwenden und leichter machen.

Ein weiterer wichtiger Verbesserungsbereich wird in der Batterietechnologie zu finden sein. Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums haben eine neue Metalllegierung patentiert, die die Leistung wiederaufladbarer Batterien erheblich verbessern soll. Die Legierung kann in eine Nickel/Metallhydrid-Batterie eingebaut werden, um eine signifikante Erhöhung der Kapazität zum Speichern von Ladung bereitzustellen. Zusätzlich zu diesen Fortschrittsbereichen werden auch Verbesserungen im Design von Defibrillatoren eingeführt, wie beispielsweise der Einbau von mehr Sensoren, die wichtige Informationen über den Zustand eines Patienten liefern.

Weitere Informationen

Bücher

Carr, J. J. Einführung in die Technologie biomedizinischer Geräte. 2. Aufl. Prentice Hall Karriere und Technologie, 1993.

Fuchs, Stuart. Physiologie des Menschen. W. C. B. Publishers, 1990.

Oever, R. V. D. Herzstimulation und Elektrophysiologie:Eine Brücke zum 21. ^st Jahrhundert . Kluwer Academic Publishers, 1994.

Zeitschriften

Shakespeare, C. F. und A. J. Camin. "Elektrophysiologie, Stimulation und Arrhythmie." Klinische Kardiologie 15 (1992):601-606.

Andere

Worthington, Janet Farrar. "Der Ingenieur, der es könnte." Medizinische Nachrichten von Hopkins. 18. März 1998. 2. Oktober 2001. .

Perry Romanowski