Defibrillator Eksternal: Sejarah, Desain, dan Manufaktur

Defibrillator eksternal memberikan schok listrik yang terjadwal dengan tepat melalui dinding dada untuk memulihkan ritme jantung normal pada pasien yang mengalami aritmia yang mengancam jiwa seperti fibrillation ventrikel.

Latar Belakang

Kit defibrillator biasanya mencakup unit kontrol daya, elektroda palu, dan aksesori yang dirakit melalui proses produksi terintegrasi. Selama beberapa dekade, model eksternal dan internal telah meningkatkan kelangsungan hidup pasien secara signifikan.

Jantung manusia memiliki empat kamar yang berfungsi sebagai dua pompa yang tersinkronisasi. Pompa kanan memindahkan darah yang kering oksigen ke paru-paru, sedangkan pompa kiri mendistribusikan darah yang kaya oksigen ke tubuh. Setiap pompa terdiri dari atrium dan ventrikel; kontraksi dan relaksasi yang terkoordinasi mempertahankan sirkulasi yang efektif.

Simpul sinoatrial, yang terletak di atrium kanan, memulai impuls listrik spontan melalui difusi ion. Impuls ini menuju atrium, menyebabkan mereka berkontraksi, kemudian melanjutkan ke ventrikel sekitar 150 ms kemudian, memicu kontraksi ventrikel dan relaksasi selanjutnya. Gangguan apa pun dalam urutan ini dapat menyebabkan aritmia seperti fibrillation ventrikel.

Fibrillation ventrikel, sering disebabkan oleh blokir arteri koroner, reaksi anestesi, atau schok listrik, menghasilkan jantung yang berdetak secara acak dan tidak efektif. Defibrillator memberikan pulsa energi tinggi—biasanya 3 hingga 9 ms—melalui dada. Schok ini mereset ritme ventrikel, memungkinkan jantung untuk melanjutkan aktivitas normal.

Dalam praktiknya, defibrillator eksternal dapat dioperasikan di lokasi darurat atau rumah sakit. Operator menyala unit, menerapkan gel konduktif pada elektroda palu, memilih tingkat energi, mengisi daya perangkat, dan menempatkan palu pada dada tanpa pakaian dengan tekanan sekitar 25 lb (11 kg). Aktivasi simultan tombol isi dan pengisian memberikan schok, setelahnya pasien dipantau dan proses diulang jika diperlukan.

Sejarah

Konsep bahwa muatan listrik dapat memulai kembali jantung yang gagal berdetak dating kembali ke tahun 1888 ketika Mac William mengusulkan bahwa fibrillation ventrikel mungkin di balik kematian tiba-tiba. Pada tahun 1899, Prevost dan Batelli menunjukkan bahwa tegangan besar dapat menghentikan fibrillation pada hewan.

Selama tahun 1920 dan 1930, penelitian—sering didanai oleh perusahaan listrik—menyelidiki schok listrik sebagai pengobatan untuk korban fatalitas pekerja listrik. Hooker, William B. Kouwenhoven, dan Orthello Langworthy menerbitkan eksperimen awal pada tahun 1933 yang menunjukkan bahwa arus bolak-balik yang diterapkan secara internal dapat membalik fibrillation ventrikel pada anjing.

Pada tahun 1947, Dr. Claude Beck melakukan defibrillasi manusia pertama yang berhasil selama operasi, menerapkan arus bolak-balik 60 Hz untuk menstabilkan jantung pasien. Dekade berikutnya melihat terobusan lebih lanjut: pada tahun 1954, Kouwenhoven dan William Milnor mencapai defibrillasi dada tertutup pada anjing, dan pada tahun 1956, Paul Zoll melakukan defibrillasi eksternal manusia pertama yang berhasil.

William B. Kouwenhoven (1886–1975) adalah tokoh penting dalam bidang ini. Terlatih sebagai insinyur listrik, ia menemukan tiga defibrillator—termasuk model open-chest, Hopkins AC, dan Mine Safety Portable—dan memulai teknik CPR. Inovasinya mengakibatkan dia menerima banyak penghargaan, termasuk Ludwig Hektoen Gold Medal dari American Medical Association (1961, 1972), IEEE Edison Medal (1962), M.D. kehormatan dari Johns Hopkins (1969), dan Lasker Clinical Research Award (1973).

Tahun 1960 membawa defibrillator arus langsung, yang menawarkan efek samping lebih sedikit dibandingkan perangkat arus bolak-balik. Pada tahun 1967, Pantridge dan Geddes menunjukkan potensi penyelamatan jiwa dari defibrillator DC portabel yang didorong baterai. Dr. Michael Mirowski memperkenalkan defibrillator tanam pertama pada akhir tahun 1960, dan tahun 1970 melihat deteksi otomatis fibrillation ventrikel dalam model internal dan eksternal.

Saat ini, defibrillasi adalah tulang punggung respons darurat. American Heart Association menetapkannya sebagai keterampilan dasar kehidupan untuk paramedis dan petugas penyelamatan.

Bahan Baku

Semua komponen defibrillator harus biocompatible, farmakologis iners, dapat diosterilkan, dan tahan lama di berbagai kondisi lingkungan. Casing control box biasanya terbuat dari polystyrene berkualitas tinggi atau logam alloy ringan. Elektroda dibuat dari titan dan silicone rubber, sementara mikroelektronik menggunakan semiconductor silikon yang dimodifikasi. Kimia baterai termasuk lead-acid, nickel-cadmium, seng, lithium, sulfur dioxide, dan manganese dioxide.

Desain

Arsitektur inti defibrillator eksternal terdiri dari control box, sumber daya, elektroda, kabel, dan konektor. Gambaran ini berfokus pada unit portabel yang digunakan dalam pengaturan klinis dan lapangan.

Controls

Control box mencakup sirkuit generasi tegangan tinggi dan bank kapasitor yang mampu menyimpan hingga 7 kV, memberikan 30–400 J energi. Kontrol utama meliputi daya, pemilihan energi, tombol isi, dan pengisian. Beberapa model menawarkan kontrol khusus untuk palu internal atau elektroda disposabel.

Electrodes

Elektroda mentransmisikan schok ke jantung. Opsi termasuk palu handheld, palu internal, dan elektroda disposabel self-adhesive, pre-gelled. Pad disposabel disukai dalam darurat untuk kecepatan dan keandalan teknik. Ukuran palu mempengaruhi densitas arus: palu yang lebih besar mengurangi resistensi dan meningkatkan pengiriman energi. Palu dewasa berkisar 3,1–5,1 in (8–13 cm); palu anak-anak proporsional lebih kecil.

Karena kulit adalah konduktor yang buruk, gel konduktif—biasanya mengandung lanolin, petrolatum, dan ion klorida—diterapkan untuk menghubungkan elektroda dan kulit, meningkatkan transfer muatan dan meminimalkan risiko luka bakar.

Battery

Defibrillator menggunakan berbagai kimia baterai, terutama lead-acid, lithium, dan nickel-cadmium. Baterai biasanya dapat diisi ulang dan disimpan di colokan saat tidak digunakan. Suhu ekstrem menurunkan performa baterai, jadi unit dipertahankan dalam lingkungan yang terkontrol. Seiring waktu, aus baterai memerlukan penggantian karena kimia yang mengoren dan berpotensi beracun.

Automated External Defibrillators

Sejak tahun 1978, AED telah menyertakan sensor yang mendeteksi fibrillation ventrikel dan memberikan prompt suara untuk pengiriman schok. Perangkat ini secara dramatis mengurangi pelatihan yang diperlukan dan telah menyelamatkan ribuan nyawa di seluruh dunia.

Proses Manufaktur

Defibrillator adalah sistem elektronik kompleks yang dirakit dari komponen yang diperoleh secara eksternal. Proses sangat terintegrasi, melibatkan beberapa tahap khusus.

Battery Production

• Baterai lithium yang digunakan dalam defibrillator menggabungkan logam lithium dengan gas sulfur dioxide dalam lingkungan bebas oksigen. Lithium dibentuk menjadi casing padat, dihemat hermetis, dan sulfur dioxide dihemat di dalamnya.
• Biasanya, empat sel lithium dihubungkan dalam seri, masing-masing dilengkaki dengan fuse 8-amp dan vent untuk pembebasan tekanan.

Casing Fabrication

• Injeksi molding menciptakan casing luar dan casing elektroda. Pellet plastik dilelehkan, dipanaskan oleh screw yang dikontrol secara hidraulik, dan di-injeksi ke dalam cetakan logam dua bagian. Setelah didingin, bagian dikeluarkan ke konveyor untuk inspeksi.
• Image:

Electronics Assembly

• Motherboard mengintegrasikan chip semiconductor, resistor, kapasitor, dan komponen lainnya. Menggunakan hybridisasi, papan sirkuit cetak diisi oleh placement head yang dikontrol komputer.
• Komponen di-solder, didinginkan, diuji, dan kemudian dipasang ke dalam control box.

Assembly

• Papan elektronik dipasang ke casing dalam kondisi bersih. Baut dan fastener mengamankan papan; adapter elektroda dipasang. Assembly kemudian dihemat dan diteruskan untuk pengujian dan kemasan.
• Image:

Paddle Electrode Fabrication

• Plat logam, biasanya timah, dihasilkan oleh continuous casting dan dipotong ke ukuran. Lapisan stannous chloride diterapkan untuk finishing permukaan.
• Kabel ditarik dari logam panas untuk menghasilkan kawat halus, kemudian dibundel, diisolasi, dan terhubung ke plat.
• Terakhir, plat dipasang ke dalam casing luar, kabel diarahkan melalui lubang belakang, dan adapter dipasang untuk koneksi ke control box.

Final Assembly

• Semua komponen—control box, elektroda, baterai, kabel, dan manual—ditempatkan dalam wadah yang dilapisi untuk pengiriman.
• Sebelum dikirim, perangkat melalui pengujian fungsional: pengisian baterai, pengisian, dan pengukuran output di bawah berbagai kondisi lingkungan.

Kontrol Kualitas

Kualitas dijamin melalui inspeksi visual dan listrik di setiap tahap produksi. Elektronik difabrikasi di kamar bersih dengan pakaian bebas serut untuk mengurangi kontaminasi. Baterai melalui tes performa, keselamatan, dan stabilitas yang ketat. Setelah pembelian, pemeriksaan pemeliharaan rutin (setiap 3–6 bulan) termasuk siklus isi-isi untuk mengonfirmasi keandalan yang berkelanjutan.

Semua produsen harus mendaftar ke U.S. Food and Drug Administration dan mematuhi Good Manufacturing Practices, yang melibatkan pencatatan ekstensif dan inspeksi fasilitas.

Masa Depan

Defibrillator masa depan bertujuan untuk meningkatkan keselamatan, efisiensi, dan kemudahan penggunaan. Inovasi termasuk elektroda kabel berbentuk Y untuk mengurangi risiko kejutan operator, integrated circuit canggih untuk desain ringan, dan sensor yang lebih cerdas yang menyediakan data pasien waktu nyata.

Teknologi baterai juga berkembang; peneliti di Brookhaven National Laboratory telah mematenkan logam alloy yang dapat secara signifikan meningkatkan kapasitas baterai nickel/metal-hydride, menjanjikan umur lebih lama dan retensi pengisian yang lebih tinggi.

Di Mana Mempelajari Lebih Lanjut

Buku

Carr, J. J. Introduction to Biomedical Equipment Technology. Ed. 2. Prentice Hall Career and Technology, 1993.

Fox, Stuart. Human Physiology. W. C. B. Publishers, 1990.

Oever, R. V. D. Cardiac Pacing and Electrophysiology: A Bridge to the 21st Century. Kluwer Academic Publishers, 1994.

Periodika

Shakespeare, C. F., dan A. J. Camin. “Electrophysiology, Pacing, and Arrhythmia.” Clinical Cardiology 15 (1992): 601‑606.

Lainnya

Worthington, Janet Farrar. “The Engineer Who Could.” Hopkins Medical News. 18 Maret 1998. 2 Oktober 2001. https://www.hopkinsmedicine.org/hmn.

Perry Romanowski