Incompetencia cronotrópica. Marcapasos con frecuencia adaptiva

Por Dr. Francisco García Urra.
Unidad de Arritmias y Marcapasos. Servicio de Medicina Intensiva. Hospital Universitario Donostia

El sistema cardiovascular dispone de varios mecanismos para adaptarse y responder al incremento de las necesidades metabólicas:
-Aumento del gasto cardíaco
-Gasto cardiaco  =  frecuencia cardíaca  x  volumen sistólico
-Aumento de la extracción tisular de oxígeno
-Redistribución del flujo sanguíneo

Es sin duda el elemento descrito en primer lugar el que mas contribuye a esta acción. Durante el ejercicio el mecanismo principal por el cual aumenta el gasto cardiaco, en respuesta a las demandas metabólicas del organismo, es el incremento de la frecuencia cardíaca. Este aumento es secundario a la disminución del tono parasimpático, al aumento del tono simpático y al incremento de catecolaminas circulantes (Figura 1).

Wilkoff¹, ha desarrollado un modelo matemático que relaciona el esfuerzo y la frecuencia cardiaca. (Figura 2)

La respuesta cronotrópica (Figura 3) se evalúa generalmente midiendo la frecuencia cardiaca pico (FCP) alcanzada durante la prueba ergométrica y ajustada a la edad (FCP: 220-edad); la respuesta se considera normal cuando se alcanza el 80 % de su porcentaje.

Respuesta cronotrópica 
(FCP/ 220-edad ) x 100

La reserva cronotrópica (RC) viene determinada por la diferencia entre la frecuencia cardiaca máxima calculada para la edad y la frecuencia cardiaca en reposo (FCR).  (RC: FCP- FCR); se considera normal si  su porcentaje es superior al 80 %.

Reserva cronotrópica 
( FCP – FC reposo/ 220-edad-FC reposo) 
x 100

La tasa de recuperación cardiaca (TRC) anormal es definida como una disminución de la frecuencia cardiaca pico de menos de 12 latidos en el primer minuto post ejercicio para los protocolos ergométricos que utilizan “parada progresiva de la prueba ergométrica ”  o de menos de 18 latidos por minuto en los protocolos que la utilizan “parada abrupta de la prueba ergométrica”.

Cuando este equilibrio se altera y el paciente presenta síntomas, nos encontramos ante una patología que se ha denominado incompetencia cronotrópica (IC). (Figura 4)

Definición²
Insuficiencia cronotrópica: Incapacidad del corazón para regular la frecuencia adecuadamente en repuesta a las necesidades metabólicas. Atendiendo a las diferentes circunstancias que se pueden dar,  se reconocen diferentes tipos  de IC.
Tipos de Incompetencia Cronotrópica³
1.    Incapacidad de alcanzar la frecuencia cardiaca máxima ajustada a la edad. (Figura 5)
2.    Retraso en alcanzar esta máxima frecuencia. (Figura 6)
3.    Incapacidad de recuperar  la frecuencia tras el ejercicio. (Figura7)

Aunque esta definición es aceptada universalmente, presenta en si misma una dificultad y es definir cuales serían las frecuencias cardiacas apropiadas; a continuación se expresan algunas extraídas de diferentes artículos^3,4: Frecuencia cardíaca en reposo 80 lpm (latidos por minuto), caminar 100 lpm, caminar enérgico 120 lpm y subir escaleras 135 lpm. Así mismo dichas frecuencias varían con la edad, de tal forma que la media en las personas menores de 65 años que alcanza su corazón 90 lpm son 178 veces al día; sin embargo en los mayores de 65 años es 151 veces por día⁴.

La prevalencia de IC ha sido documentada tanto en población general como en población con marcapasos definitivos implantados, estimándose entre el 21-61 %. Esta dispersión se explicaría, al menos en parte,  por las diferentes definiciones de  la IC en los diferentes estudios^5,6,7,8.

La IC es progresiva y empeora en periodos cortos de tiempo, documentándose un aumento significativo de IC en pacientes con marcapasos⁹; siendo la incidencia de IC 53 % en pacientes con que llevan implantados marcapasos mas de 2 años y del 70% en aquellos con mas de 4 años.

Por tanto podemos afirmar que la IC es un hecho real, es una patología importante,  puede ser diagnosticada, aunque con limitaciones, y lo mas importante puede ser tratada. Esto es así, de tal forma que está definida por la American Heart Association  y el American College of Cardiology¹⁰ como recomendación:

Comparada con la Enfermedad del nódulo sinusal (buen pronostico, no todas se acompañan de IC y empeora con B Bloqueantes), la incompetencia cronotrópica se asocia con mayor mortalidad (independientemente de si el paciente tiene alguna otra enfermedad cardiovascular asociada⁷, u otras patologías tales como diabetes mellitus,  insuficiencia cardiaca, obesidad, enfermedad valvular y cirugía cardiaca  ; es un potente predictor de futuros eventos⁷  y se observa en el 67 % de los pacientes con fibrilación auricular³.

Siguiendo la argumentación, sería importante detectar aquellos pacientes con incompetencia cronotrópica, asumiendo que se encuentran también entre los pacientes con marcapasos implantados.

Deberíamos, en mi opinión, hacerles preguntas  tales como: ¿se siente bien en reposo pero se cansa o nota falta de aire al hacer sus actividades diarias, subir escaleras o cuestas, trasportando cosas (carrito compra)?, ¿Es incapaz de hacer las cosas que hacia recientemente?; pero también deberíamos estar atentos cuando los pacientes nos dan señales de su incompetencia cronotrópica: Estoy envejeciendo, me siento fatigado con frecuencia, no puedo hacer las cosas que solía hacer,  mi paseo diario lo hago ahora en dos etapas,  cuando hago esfuerzos me noto como mareado, etc. Como podemos observar son términos en ambos sentidos vagos, imprecisos, subjetivos, y que se observan en otras múltiples situaciones (anemia, problemas ortopédicos, enfermedades pulmonares, neurológicas, endocrinas y cardiacas).

Para su diagnóstico, de manera objetiva, podríamos ayudarnos del holter de 24 horas y de la prueba de esfuerzo, relacionando los hallazgos con la sintomatología. (Figura8)

Para su tratamiento, recomendaríamos la implantación de un  marcapasos con “sensor”, es decir con capacidad para variar su frecuencia. (Figura 9)

Marcapasos con Frecuencia Adaptativa
Se denomina así a aquellos marcapasos que tienen capacidad para detectar señales físicas o fisiológicas, las cuales reflejan directa o indirectamente la demanda metabólica, y a través de un algoritmo variar la frecuencia cardiaca en función de dichas señales.

Se llama Indicador al parámetro físico o fisiológico que cambia según las necesidades metabólicas del cuerpo. Se mal denomina “Sensor” (no existe esta acepción en español) al dispositivo que convierte las señales del indicador en señales eléctricas. La respuesta del indicador, en función de lo que haga el cuerpo en ese momento, determina la magnitud y frecuencia de las señales eléctricas. El algoritmo es una función de software del marcapasos que traduce la magnitud y la frecuencia de la señales en una frecuencia de estimulación variable.

Entre las  características que debería reunir un sensor destacaría:
•    Sensibilidad. Un sensor es más sensible cuanto mayor es su precisión en medir la señal para la que está diseñado.
•    Especificidad. Un sensor es más específico cuanto menor sea la influencia de las señales diferentes a las que mide.
•    Proporcional. Un sensor es proporcional cuando la detección de pequeñas o grandes variaciones de la señal medida genera pequeños o grandes cambios de frecuencia respectivamente.
•    Tiempo de Respuesta. Debe ser razonablemente corto.
•    Estabilidad. La señal detectada debe ser invariable a corto y largo plazo.
•    Biocompatible. El material utilizado para la construcción del sensor debe cumplir este requisito.
•    Facilidad en la Implantación. No debe dificultar mas la técnica de implante.
•    Facilidad en la Programación. El tiempo para su ajuste debe ser corto y a ser posible automático.
•    Economizar energía. El consumo energético debe ser razonable y no penalizar mucho la vida de la batería.

Los sensores podemos clasificarlos según el tipo de sistema en: abiertos y cerrados (Figura 10); en el primero el parámetro medido no se ve afectado por el aumento o la disminución de la frecuencia cardiaca (ejemplo sensores de movimiento), en cambio en el segundo el parámetro controlado se ve afectado por el aumento o disminución de frecuencia cardiaca creando un “feed back” (ejemplo sensor de gradiente de despolarización ventricular).

Rickards¹² , clasifica los sensores en función de la detección fisiológica en:
•    Primario: Aquellos que detectan los factores fisiológicos que controlan el nódulo sinusal durante las diferentes necesidades fisiológicas (detección de catecolaminas en sangre).
•    Secundario: Aquellos que detectan parámetros fisiológicos relacionados o no con el ejercicio. (QT, Temperatura Venosa Central, Volumen Minuto, etc.)
•    Terciario: Aquellos que detectan cambios externos para acelerar la frecuencia de estimulación (sensores de movimiento).

En función del indicador medido podríamos clasificar los sensores en:
•    Sensores de actividad o movimiento
•    Cristal piezoeléctrico
•    Acelerómetros
•    Bola magnética
•    Sensor de aceleración gravimétrica
•    Aceleración endocárdica
•    Medida de la impedancia
•    Torácica
•    Endocárdica
•    Ventilación minuto
•    Señal intracardiaca QT
•    Dobles sensores
•    Sensor de actividad + Sensor de medida del segmento QT
•    Sensor de actividad + Sensor de ventilación minuto

Sensores de Actividad (Figura 11)
Los sensores de actividad recogen señales externas generadas por el ejercicio realizado por el paciente. Actualmente son los sensores más utilizados comercialmente.

Transductor piezoeléctrico
La actividad física se detecta mediante un cristal piezoeléctrico (sensor de presión) adherido en el interior de la carcasa del marcapasos. La actividad física genera ondas de presión que viajan a través del cuerpo, produciendo una vibración sobre la carcasa del generador de impulso que a su vez producen micro deflexiones en el cristal piezoeléctrico. Estas deflexiones generan un voltaje eléctrico que varía en amplitud y frecuencia dependiendo de la actividad física.

Transductor acelerómetro
La actividad se mide por los cambios de velocidad de una masa suspendida en el armazón de un muelle que a su vez está situado en la placa del circuito del generador de impulsos, y no adherido a la carcasa del generador de impulsos. El cambio de velocidad produce el desplazamiento de esta masa, dicho desplazamiento es proporcional a la fuerza ejercida sobre el muelle, siendo la respuesta una aceleración también proporcional. La aceleración horizontal que produce el movimiento rítmico del cuerpo se promedia con respecto al tiempo dando como resultado diferentes frecuencias de estimulación de acuerdo con los valores de los parámetros programados.

Transductor de bola magnética
Es una variante de los anteriores que consiste en una bola magnética dentro de una cavidad elipsoidal. Esta bola magnética consta de dos imanes semiesféricos enfrentados para evitar interferencias electromagnéticas. Esta cavidad elipsoidal está rodeada de dos hilos de cobre enrollados en dirección opuesta. La velocidad de la bola magnética dentro de la cavidad produce en los hilos de cobre una señal eléctrica que producirá a su vez una respuesta en frecuencia. Presenta dos ventaja  frente al sistema anterior, la primera es que el algoritmo sólo necesita un parámetro que relacione la velocidad de la bola dentro de la cavidad con la frecuencia (Pendiente); y segundo, la bola puede moverse en las tres direcciones del espacio, aunque está más limitado su movimiento en dos de ellas.
Sensor de aceleración gravimétrica
Este sensor detecta la componente vertical de los movimientos del cuerpo mediante una bola de mercurio encapsulada herméticamente en un contenedor. La bola de mercurio rueda sobre una superficie con una serie de interruptores. La velocidad de apertura y cierre de estos interruptores por choque con la bola de mercurio se utiliza para medir la actividad corporal. La posición de la bola de mercurio puede dar una idea de la posición del cuerpo.

Sea cual sea el sensor, una vez se ha producido la señal (que representa las variaciones del parámetro elegido con la carga de trabajo), ésta se procesa generalmente en dos pasos:
•    Preparación, que puede incluir amplificación, filtrado, muestreo de la señal etc., con el objetivo de extraer de ella la información específica de interés y eliminar toda interferencia.
•    Algoritmo, respuesta que da el dispositivo a la señal procesada. El algoritmo, por tanto, establece la relación entre la señal acondicionada previamente y la función del marcapasos, intentando que el cambio de la señal proporcione un cambio proporcional en la frecuencia de estimulación.

Actualmente existen varias formas de establecer esta relación.
•    Rango de operación, definido por el límite superior e inferior en frecuencia.
•    Pendiente, que determina el grado de respuesta al aumento o disminución de la intensidad de la señal medida. Este parámetro es programable en todos los marcapasos que incorporan sensor. La pendiente es la curva que relaciona la frecuencia de estimulación con la carga de trabajo dentro del rango de frecuencia superior e inferior establecido previamente.
•    Tiempo de respuesta es el tiempo requerido por el algoritmo para responder a la señal del sensor más el tiempo requerido por el parámetro de control para responder a la situación de carga dada.
Los sensores de actividad tienen una respuesta rápida mientras que otros sensores como QT o Ventilación Minuto son lentos en el tiempo de respuesta. (Figura 9).

Intervalo QT (Figura 13)
El sensor mide el intervalo entre el estímulo de marcapasos y la máxima pendiente negativa de la onda T (Onda T evocada). La medida del intervalo QT únicamente se lleva a cabo cuando el marcapasos estimula y no tiene en consideración los eventos intrínsecos. El sensor basado en la detección del intervalo QT ha sufrido muchas mejoras con respecto a las primeras unidades, como por ejemplo la inclusión de algoritmos que solo se afectan por cambios relativos y no absolutos en el intervalo QT, o la incorporación de filtros que eliminan los efectos que algunos.

Sensor de Ventilación Minuto 
(Figura 14)
La impedancia eléctrica en la región torácica varía durante las fases inspiratoria y espiratoria de la respiración. Este es el principio del sensor de frecuencia respiratoria. Si además se tiene en cuenta el volumen respiratorio (tidal) por minuto, se habla del sensor de volumen minuto. Este es el principio de los  sensores de ventilación. El método consiste en medir las diferentes impedancias, tras emitir impulsos, desde la punta del electrodo con corriente constante de baja intensidad y corta duración (125 ms. por ciclo) hasta la carcasa del dispositivo. El nivel de impedancia detectada se verá modificado por los cambios de impedancia inducidos por la respiración. La amplitud de los cambios de impedancia es proporcional al volumen tidal, pudiendo calcular el volumen minuto sólo con multiplicar la frecuencia respiratoria por el volumen tidal.

Impedancia Intracardiaca 
(Figura 15)
Uno de los primeros sensores comercializado con un diseño de sistema cerrado, es el denominado CLS. Los cambios en la contractilidad miocárdica se reflejan en las variaciones de impedancia intracardiaca.

La impedancia se mide entre la punta del cable ventricular y la carcasa del marcapasos. Durante la contracción, la proporción de sangre y miocardio varía en la proximidad del electrodo punta. La resistencia específica de la sangre es claramente diferente de la resistencia del miocardio (150Ohm/cm vs 300-500 Ohm/cm respectivamente), por tanto la dinámica de la contracción miocárdica puede diferenciarse a lo largo de la curva de variación de impedancia.

Los valores difieren de un paciente a otro, y reflejan las variaciones en la actividad simpática debido a estrés mental y a la actividad física, e incluso puede cambiar mediante la medicación o eventos patológicos.

Aceleración endocárdica (Figura 16)
Mecánicamente se trata de un acelerómetro incluido en la punta de un electrodo ventricular bipolar que mide la amplitud pico-pico de la señal de aceleración endocárdica detectada durante la fase de contracción isovolumétrica ventricular.

En la figura 13, se muestra la relación en la contracción isovolumétrica y el valor de PEA (Peak Endocardial Acceleration). El valor de PEA difiere de un paciente a otro, los valores reflejan las variaciones en la actividad simpática debido a estrés mental y a la actividad física, e incluso puede cambiar mediante la medicación o eventos patológicos.

 

Otros sensores:
Sensor de Temperatura
Este sensor no está actualmente comercializado. La temperatura de la sangre varia con la actividad física debido a la transferencia del calor que genera el músculo. La detección de esta variación, es utilizada como señal por el sensor para aumentar la frecuencia de estimulación; requiere que el electrodo incorpore un dispositivo denominado termistor. Este termistor mide la temperatura de la sangre en el ventrículo derecho.

El aumento de la temperatura con la actividad física no es lineal, si no que además, al comienzo del ejercicio la temperatura sufre una disminución como consecuencia de que la sangre periférica vuelve al corazón y por tanto hay un enfriamiento. Esto obliga a incluir complejos algoritmos en los marcapasos que incorporen este tipo de sensor. Pero no solo la actividad muscular genera calor, también existen otros factores que influyen como la fiebre, el metabolismo diurno, la ingestión de líquidos, el sueño, el estrés emocional, la temperatura exterior, etc.

Saturación de Oxigeno Venosa Central¹³
El incremento en la carga de trabajo durante el ejercicio está asociado con un aumento en la velocidad del consumo de oxígeno y una disminución en la saturación de oxígeno de hemoglobina en la sangre venosa. Debido a que la mayor parte del oxígeno transportado en la sangre arterial está enlazado a la hemoglobina, la saturación oxihemoglobina en la sangre venosa sirve como indicador del equilibrio en el suministro de oxígeno (flujo de sangre arterial) y la demanda de oxígeno en un tejido en particular.

Actualmente el mejor método para poder medir la saturación de oxígeno es un sensor óptico, situado en la corriente sanguínea, está montado sobre un circuito híbrido cerámico que está protegido con una cápsula de cristal transparente con terminaciones de platino. El sensor óptico consiste en un diodo que emite luz roja cuando se genera una corriente de 200A, esta luz ilumina la sangre que pasa a través de la cápsula transparente y un polímero de protección. La luz es reflejada por los eritrocitos y detectada por un fotodetector, que a su vez carga un condensador hasta un voltaje de referencia. El intervalo requerido para cargar el condensador depende de la intensidad de la luz reflejada. Con una alta saturación de oxígeno, la reflexión es mayor y el intervalo de tiempo para cargar el condensador disminuye. Cuando la saturación cae durante el ejercicio la sangre se hace menos reflectora y tiempo de carga aumenta. Otro método utiliza dos diodos que emiten luz roja e infrarroja de forma intermitente.

Volumen sistólico
Medida de variaciones de la resistencia del electrodo en relación con el volumen. Tiene respuesta rápida y se puede utilizar con un cable bipolar, aunque una pobre sensibilidad y un alto consumo energético.

Presión sistólica en ventrículo derecho
Mide la variación de la presión sistólica en el ventrículo derecho. Respuesta rápida, buena sensibilidad y bajo consumo de energía. Requiere un electrodo especial y tiene retroalimentación positiva.

Presión de Oxigeno
Mide la diferencia de voltaje entre un ánodo y cátodo insertado en la sangre. A mayor presión de oxígeno mayor corriente generada.

pH
Mide la variación del pH en la sangre consecuencia del aumento en la concentración de CO2 durante el ejercicio. Respuesta lenta ya que los cambios reflejan actividades que ya han ocurrido. Técnica difícil, sensor inestable afectado además por desequilibrios electrolíticos.

Dobles Sensores
La ventaja de combinar sensores es mejorar la velocidad de respuesta, la proporcionalidad y la sensibilidad. También se mejora la especificidad debido a la capacidad de pasar información de un sensor a otro.

Entre las desventajas pueden indicarse la necesidad de aumentar el tamaño de las unidades, por la necesidad de aumentar la capacidad de las baterías. El causante es el aumento en el drenaje de corriente. Con respecto a la programación, la introducción de dos sensores complica esta tarea, aunque para reducir esta desventaja estos marcapasos introducen un alto grado de automaticidad.

Cuando se habla de dobles sensores, el sensor común suele ser el sensor de actividad (cristal piezoeléctrico o acelerómetro). La razón principal es rápida respuesta al comienzo del ejercicio, que suele ser el principal defecto del segundo sensor. El doble sensor comercializado desde hace varios años es el sensor QT + ACT, añadiéndose más tarde un nuevo doble sensor, VM + ACT.

El doble sensor QT + ACT introdujo dos nuevos conceptos relacionados con la interacción entre ambos sensores. El término “blending” hace referencia a la relación de la contribución a la frecuencia de estimulación de los dos sensores; mientras que “Crosschecking” permite que la respuesta en frecuencia generada por el sensor de actividad continúe sólo si se confirma que el paciente está realizando actividad. (Figura 17)

En un trabajo publicado por Padeletti¹⁴, donde comparó el efecto de un solo sensor versus doble sensor (Actividad + Ventilación Minuto), concluyó que un simple sensor era suficiente para conseguir una respuesta en frecuencia satisfactoria, y que la combinación y optimización de los dos sensores proporcionó un benefició adicional en un grupo seleccionado de pacientes (17%) con avanzada enfermedad cronotrópica auricular.

Para finalizar, no ha sido propósito del autor decidir que pacientes deberían ser diagnosticados de incompetencia cronotrópica, ni cual debería ser su mejor tratamiento, sino la de revisar un tema candente en la estimulación cardiaca,  aportando datos que sean útiles para el lector.

Este caso refleja la opinión personal del individuo que lo ha realizado. Los casos clínicos no son necesariamente una predicción o representativos de las expectativas clínicas o de los resultados. El resultado real puede diferir en cada caso.

Bibliografía

¹Wilkoff BL, Corey J, Blackburn G. A Mathematical Model of the Cardiac Chronotropic Response to Exercise.  J Electrophysiol 1989:176-180

²H. Weston Moses, James C. Mullins “A practical guide to Cardiac Pacing.” 6th edition. Lippincott Willimas & Wilkins 2007.

³Lukl J, Doupal V, Sovova E, Lubena L. Incidence and significance of Chronotropic incompetence in patients with indications for primary pacemaker implantation or pacemaker replacement. PACE 1999; 22(9): 1284-1291.

⁴Mianulli M, Birchfield D, Yakimow K, et al. Do elderly pacemaker patients need rate adaptation implications of daily heart rate behaviour in normal adults. PACE 1996; 19 (pt II): 681(abstract).

⁵Lauer MS, Francis GS, Okin PM, Pashkow FJ, Snader CE, Marwick TH. Impaired chronotropic response to exercise stress testing as a predictor of mortality. JAMA 199; 281:524-526.

⁶Lauer MS, Okin P, Kligfield P. Chronotropic response to exercise. Improved performance of ST-segment depression criteria after adjustment for heart rate reserve. Circulation 1996; 93:1520-1526.

⁷Elhendy A, Mahoney D, Khandheria BK, Burger K, Pellikka PA. Prognostic significance of impairment of heart rate response to exercise: impact of left ventricular function and myocardial ischemia. J Am Coll Cardiol 2003; 42:823-830.

⁸Coman J, Freedman R, Koplan BA, Reeves R, Santucci P, Stolen KQ, Kraus SM, Meyer TE; LIFE Study Results.  A blended sensor restores chronotropic response more favorably than an accelerometer alone in pacemaker patients: the LIFE study results. PACE 2008; 31:1433-1442.

⁹Gwinn, N. Leman R, Kratz J, White JK, Zile MR, Gillette P.. Chronotropic incompetence: A common and progressive finding in pacemaker patients. American Heart Journal May 1992; 123:1216-1219.

¹⁰Epstein AE, Di Marco JP, Ellenbogen KA, et al. ACC/AHA/HRS 2008 guidelines for device-based therapy of cardiac rhythm abnormalities: a report of the American College of Cardiology/American Heart Association Task Force on Practice Guidelines (Writing Committee to Revise the ACC/AHA/NASPE 2002 Guideline Update for Implantation of Cardiac Pacemakers and Antiarrhythmia Devices). J AM Coll Cardiol 2008; 51-62.

¹¹Melzer C, Witte J, Reibis R, Bondke HJ, Combs W, Stangl K, Baumann G, Theres H. Predictors of chronotropic incompetence in the pacemaker patient population. Europace 2006; 8:70-75.

¹²Rickards AF, Donaldson RM: Rate-responsive pacing. Clin Prog Pacing Electrophysiology 1983; 1:12.

¹³Padeletti L, Pieragnoli P, Di Biase L, Colella A, Landolina M, Moro E, Orazi S, Vicentini A, Maglia G, Pensabene O, Raciti G, Barold SS. Is a Dual-Sensor Pacemaker appropriate in Patients with Sino-Atrial Disease? Results from the DUSISLOxG Study. Pace 2006; 29: 34-40.

¹⁴Erol-Yilmaz A, Tukkie R, De Boo J, Schrama T, Wilde A.et al. Direct comparison of a Contractility and Activity Pacemaker Sensor during Treadmill Exercise Testing. PACE 2004; 27: 1493-1499.