Appunti di Applicazioni Ingegneristiche in ambito biomedico

La dialisi peritoneale

Tecnica diversa di dialisi.

Membrana del peritoneo che riveste le viscere della cavità addominale per separare i tessuti degli organi rispetto alle pareti e al tessuto muscolare della parete. Viscere separate dalla parete con il liquido peritoneale, la membrana fa da barriera. Costituita da uno strato di cellule endoteliali e da un letto capillare. Capillari vicini al liquido peritoneale, quindi può avvenire lo scambio.

Utilizzare la membrana peritoneale per permettere gli scambi tra una soluzione infusa nella cavità addominale e il letto capillare. Spazio aumentato se si infonde un liquido.

Sacca per infusione con liquido sterile e con concentrazione di elettroliti adeguata, che vanno a bilanciare gli elettroliti della circolazione, ma avere una concentrazione nulla degli elementi di scarto, per far passare gli elementi di scarto per poterli rimuovere dal letto capillare.

Serve tempo e superficie di scambio, la membrana peritoneale è abbastanza ampia.

Infondiamo una certa quantità in un catetere che arriva alla cavità addominale, è transcutaneo.

Dovremmo fare in modo di far scorrere il liquido nella sacca nella cavità peritoneale per diffusione, nella cavità la pressione è molto bassa quasi nulla e la sacca viene posizionata ad un’altezza maggiore e il liquido defluisce nella cavità. Dispositivo semplice senza pompa e senza energia elettrica.

La cavità può contenere un volume di circa 1 L o fino a 2 L quindi abbiamo un gradiente di concentrazione. Il liquido può dar luogo allo scambio e pian piano avviene lo scambio. Dopo un certo periodo di tempo dobbiamo rimuovere il liquido dalla cavità.

Abbassiamo la sacca ponendola ad un’altezza inferiore alla cavità addominale e il fluido viene rimosso quasi completamente. Va mantenuta la cannula nel paziente. Sistemi di attacco e stacco rapido dal circuito alla cannula nel paziente. La cannula passa attraverso la cute e interrompiamo la barriera che blocca ogni contaminazione del tessuto sottocutaneo.

Questo è un taglio aperto perché il sistema della barriera cutanea non può integrarsi con il materiale. Bisogna prevenire la proliferazione batterica nella cavità peritoneale per evitare l’infezione della cavità peritoneale, la peritonite, molto più problematica di un’infezione sulla cute perché nella cavità peritoneale non abbiamo circolazione, quindi è un volume che non può essere controllato dal sistema immunitario e si possono sviluppare delle colture di batteri, data la temperatura favorevole, il liquido è in equilibrio con i capillari per il glucosio, condizioni ideali.

Solo quando questi attaccano la parete il sistema immunitario può mandare le cellule per combattere l’infezione, diventa una contaminazione diffusa. Se il paziente presenta un arrossamento all’exit side bisogna intervenire con antibiotici locali, se si riesce a mantenere il catetere allora il trattamento è possibile come alternativa.

Non basta un trattamento, lo scambio avviene nel giro di qualche ora, sono necessari più trattamenti al giorno. Il paziente non deve andare in ospedale per il trattamento, lo può fare a domicilio.

La procedura di attacco e stacco deve essere fatta in condizioni sterili per non contaminare il liquido. Lo svantaggio è il numero maggiore di trattamenti al giorno.

Nella cavità peritoneale una parte è occupata dal liquido a contatto con la parete costituita da cellule a contatto con i capillari. Ci saranno scambi tra capillari e liquido nella cavità e avviene il trasporto per diffusione. Con le giuste concentrazioni vengono rimosse le sostanze di scarto.

Se la differenza di concentrazione urea (70-100-140 mg/dl) avverrà lo scambio. Questo tipo di trasporto può ridurre in maniera importante le concentrazioni nel letto capillare? Abbasseremo solo di poco la concentrazione, infatti richiede più trattamenti al giorno.

Tipologie di cannule con molti fori alle estremità per far passare il fluido anche se la punta del catetere si appoggia alla parete, altrimenti non sarebbe possibile lo svuotamento. Hanno anelli che permettono di creare un ostacolo per l’uscita del catetere.

Se partiamo da una concentrazione di 80 mg/dl nella circolazione, otteniamo un aumento della concentrazione della sacca, ma non di tanto. Ripetendo il trattamento si rimuove la quantità di urea adeguata. Il trattamento ha una certa efficacia all’inizio del periodo di contatto del liquido poi inefficienza perché la differenza di concentrazione diminuisce e quindi il trasporto diffusivo.

Dobbiamo sfruttare il periodo iniziale, circa 4 ore per massima rimozione. Ricetta per preparare il liquido del paziente partendo da acqua pura e sterile con sodio cloro magnesio calcio e altri elettroliti per avere un’osmolarità di 290 mm osm /litro. Condizioni controllate.

Il paziente deve avere a disposizione più sacche di infusione, deve attaccarle al catetere che ha nella cavità, bisogna fare in modo di avere 3/4 sacche al giorno, i pazienti vengono forniti del materiale da ditte.

La rimozione di creatinina passa in misura inferiore rispetto all’urea perché ha un peso molecolare maggiore, quindi abbiamo una diffusione più lenta e quindi l’incremento della concentrazione non è così rapido, dobbiamo prolungare i trattamenti.

Come eliminare dal paziente la quantità di acqua che il paziente ingerisce e non elimina perché anurico?

Nella composizione del liquido c’è glucosio, all’inizio del trattamento c’è un trasporto di fluido che aumenta in maniera importante quindi la quantità di glucosio che è in equilibrio con quello dei capillari, la quantità di liquido che viene rimossa continua a diminuire fino all’equilibrio. Se ci fermiamo a 3/4 ore si ottiene il max della rimozione dell’acqua.

Il medico può variare la percentuale della concentrazione di glucosio per gestire la quantità di liquido che può eliminare, sceglie anche in base all’idratazione del paziente. Ci sono anche altre sostanze per creare il gradiente di pressione osmotica, compatibili con l’organismo ad esempio destrani che sono zuccheri che non rientrano nella cavità peritoneale perché hanno un peso molecolare elevato. Il paziente è trattato in modo equilibrato. L’acqua si muove per differenza di osmolarità.

Questo trattamento per 2 / 3 volte al giorno per 3 / 4 ore occupa tutta la giornata del paziente. Spostiamo il trattamento durante la notte, per questo attacchiamo la sacca al periodo di riposo e staccarla quando si sveglia, periodo di 7/8 ore per più di un periodo di scambio, infusione dei fluidi in modo controllato con sistemi di perfusione per fare più trattamenti durante la notte. Restituisce al paziente una certa qualità della vita. Non abbiamo bisogno dell’accesso vascolare, quindi, è una dialisi che può essere effettuata in modo veloce.

Dialisi peritoneale ciclica continua

• Scambi automatici con cycler.
• Tempi e portata regolati e rilascio del liquido e prelievo alla fine.
• Dispositivi di sicurezza per ostruzioni di catetere o abbassamento della pressione.
• Collegamento di 8/10 ore e necessita rete elettrica.
• Più sacche di infusione.
• Costi limitati rispetto al trattamento emodialitico perché l’apparecchiatura è più semplice dal punto di vista tecnologico, no circolazione extracorporea quindi no controllo medico continuo.
• Accesso alla dialisi anche per pazienti poveri.

Grosse limitazioni date dallo sviluppo di infezioni e la membrana peritoneale che normalmente non è sottoposta al trasporto, quindi può andare incontro ad usura e le cellule epiteliali producono la matrice extracellulare per danni dati dal trasporto continuo soluti, la membrana si ispessisce. Questa probabilità cresce al prolungarsi del trattamento (mesi-anni).

Trattamento simile come dialisi

• A 2-5 anni ha la stessa mortalità.
• È preferibile per pazienti pediatrici.
• Dà un differente stile di vita.
• Tutti i pazienti possono scegliere se fare emodialisi o dialisi peritoneale tranne quelli con problemi ad organi della cavità.

Controindicazioni

• Fibrosi e aderenze della membrana peritoneale che impediscono lo scambio.
• Infiammazioni intestinali.

Statistiche pazienti in Italia: la dialisi peritoneale viene fatta solo nel 10% dei pazienti perché non sono inclini al rischio di infezioni e allo stile di vita anche notturno, quindi non si arruolano in questo programma. Si sta cercando di fare aumentare questo trattamento perché ha evidenti vantaggi. Gestire i pazienti in modo ottimale, capire quale è il trattamento più adeguato al loro stile di vita.

Con l’aumento dell’età media, essendo pazienti anziani i parenti è meglio che vengano presi in carico dall’ospedale.

Sostituzione della funzione cardiaca

Più difficile per quanto riguarda la gestione del paziente perché non si ha tempo per aspettare e intervenire mediante una procedura che richieda la predisposizione, serve agire immediatamente. Ci sono condizioni cliniche diverse e diverse esigenze.

In che condizioni si riesce a sostituire la funzione cardiaca per quale tipo di trattamento intervento temporaneo o intervento permanente che sostituisce cure in modo continuo.

Sostituzione per tempi limitati perché i medici hanno avuto bisogni di sostituire il cuore solo durante interventi chirurgici cardiaci.

Classificazione delle cardiopatie che generano diverse condizioni cliniche e diversi trattamenti. Origine ischemica per arterie coronarie, valvole cardiache, cardiomiopatie primitive o secondarie dovute ad altre malattie sistemiche, patologie congenite come malformazioni che necessitano correzioni per sopravvivenza, patologie date da infezioni o alla formazione di tessuto neoplastico. In alcune di queste condizioni può essere attuato un intervento chirurgico che sistema queste anomale patologiche e anatomiche per riacquistare funzionalità.

Ischemia a carico delle arterie coronarie, le quali sviluppano ostruzioni o placche ateromatiche che causano necrosi del tessuto a valle che porta ad una condizione clinica importante come infarto del miocardio.

Placca ateromatica causa più comune, se si estende e ostruisce il lume del vaso è compromessa la perfusione del miocardio e quindi infarto che se molto esteso decesso. Bypass alla zona danneggiata per perfondere il vaso con una portata ematica che venga perfusa a valle della zona danneggiata, bypass aorto-coronarico.

Ci sono due possibilità, se un’arteria ha una certa ostruzione possiamo instaurare un collegamento tra un’arteria come quella mammarie e quella coronaria per perfondere il miocardio con una portata che viene dalla circolazione arteriosa. Oppure un tratto della vena safena che viene prelevata dal paziente e inserita nella parete dell’arterie, anastomizzata con la coronaria. Chirurgia ricostruttiva sviluppata negli anni.

Per ogni operazione serve lavorare su tessuto per realizzare la cucitura dei vasi non si può fare se il cuore sta battendo, serve bloccare la funzione cardiaca riuscire ad inibire la contrazione del miocardio, operare e poi far riprendere il battito alla fine dell’intervento, non si può fermare il moto del sangue nell’organismo, bisogna utilizzare un sistema alternativo per perfondere l’organismo, per un tempo limitato mediante la circolazione extracorporea.

Intervento sulle valvole cardiache, serve operare attraverso la parete dei vasi per accedere alle valvole e sistemare o sostituire le valvole. La valvola diventa stenotica cioè non si apre completamente e crea una condizione di stenosi, se non si apre bene allora il flusso di sangue non può defluire e si recano pressioni maggiore e non si riesce a trasportare la portata adeguata e si creano problemi di ossigenazione di tessuti.

Se il difetto è di chiusura, cioè ci sarà un rigurgito di sangue e bisogna sostituire questo tessuto con qualcosa che funzioni in modo adeguata. Mitralica e aortica soggette a maggiori gradienti di pressione quindi più problematiche. Patologie congenite o infezioni che portano all’interessamento valvolare.

Ricostruzione chirurgica per riparare i lembi della valvola, se non si riesce viene sostituita con una valvola meccanica o biologica. Come realizzare questo intervento, fermando il cuore ma perfondendo l’organismo.

Circolazione extracorporea soluzione CEC

Dispositivo tecnologico complesso dove il paziente è posizionato vicino al sistema e c’è una differenza di altezza, per sostituire la funzione cardiaca che viene fermata per un certo periodo di tempo.

Prelevare una portata di sangue dalla portata venosa dell’albero circolatorio, dalle vene cave, gestirla nel sistema di perfusione e perfonderla nell’arco aortico. Se il sangue è venoso bisogna ossigenarlo quindi la macchina deve funzionare come una pompa ma anche come un polmone, si può parlare di macchina cuore-polmone. Deve garantire e controllare queste due funzioni.

Cosa succede quando il tessuto cardiaco viene collegato a questi elementi artificiali. Il collegamento è con cannule inserite nella vena cava in contatto con l’atrio destro prelevano il sangue, cannule con dimensione elevata per poca resistenza, cannule inserite nell’arco aortico per inserire la portata e dare una pressione di perfusione per il movimento in tutte le arterie che vanno a cervello per non far mancare la perfusione.

Serve una perfusione costante anche negli altri organi come rene e fegato che hanno bisogno di pressione di perfusione costante e costantemente perfusi che vanno incontro ad insufficienza d’organo, dobbiamo garantire portata e pressione di fornire ossigeno ed eliminare CO2.

Percorso dell’intervento

Il percorso dell’intervento è:

Preparazione con anestesia accesso alla cavità toracica, aprire con resezione dello sterno dilatare le coste e aprire una finestra sopra il pericardio, apertura con dilatatore, sistema collegato alle cannule. Il battito viene arrestato, collegamento con cannule e poi ripristino della funzione cardiaca.

Realizzazione di una condizione di raffreddamento, ipotermia per ridurre il consumo di ossigeno dei tessuti perché non si ha una domanda di ossigeno molto elevata. Collegamento con arco aortico, cardioplegia per bloccare il battito e iniziare la procedura di perfusione.

Non serve la ventilazione dei polmoni perché l’ossigenazione è data dalla circolazione extra corporea.

Serve una cannula che perfonde il cuore con una soluzione con potassio che blocca la contrazione cardiaca cambiando la concentrazione degli ioni.

Dispositivi e circuito

Dispositivi: collegamento tra circuito artificiale con linee di perfusione tubi trasparenti con polimero flessibile e resistenze per evitare occlusioni o perdite, cannula che va nei vasi, forma che permette di diminuire la perdita di carico e anelli che permettono di creare sutura tra parete del vaso e cannula per tenuta idraulica.

Circuito:

Prelevo sangue dalla vena cava che vanno nel dispositivo con reservoir e ossigenatore. Il reservoir è un serbatoio dove far defluire il sangue per permettere ad una buona portata di fluido di arrivare al serbatoio e gestire in modo poco traumatico il prelievo del sangue dalla circolazione se ci fosse una pompa potrebbe aspirare troppo o troppo poco il reservoir è una riserva di fluido.

Deve essere messo ad un’altezza dove il ritorno venoso è garantito per differenza di pressione, il perfusionista si deve abbassare, 70-80 cm di differenza. Il sangue defluisce dalla cannula al reservoir, un pelo sarà libero dove la pressione è uguale a quella atmosferica. Reservoir verso ossigenatore e poi perfuso da pompa principale e poi nell’arco aortico.

Nel reservoir pressione sempre più bassa fino alla pompa che è quella che induce per aspirazione e perfondo nell’ossigenatore. Pressione arteriosa 120/80 e la funzione di perfusione fornita da pompa di tipo peristaltico e promuoviamo l’aumento di pressione. La macchina cuore-polmone è caratterizzata anche da altre pompe.

Il sangue viene prelevato dalla vena cava e mandato nel reservoir dove viene poi prelevato dalla pompa principale e inserito nell’ossigenatore e mandato nell’arco aortico.

Deve avere una certa compattezza perché il volume che aveva il sangue del paziente deve essere espanso per occupare il volume degli strumenti quindi il volume di liquido circolante deve essere maggiore di quello del paziente e viene diluito con una soluzione fisiologica e se serve una trasfusione.

Durante la perfusione dell’albero circolatorio in un paziente, delle 4 pompe quella a sinistra è quella che garantisce una portata e una prevalenza maggiore. La pompa aspira il sangue dal reservoir per gravità, con l’apice della cannula che arriva molto vicino all’atrio destro. Le portate sono particolarmente elevate, il reservoir deve permettere all’operatore di vedere che il menisco sia sempre ad un livello per capire che nel sangue non ci siano bolle d’aria.

Nell’ossigenatore, come nella circolazione polmonare, si ossigena il sangue, viene anche controllata ed aumentata la temperatura perché il paziente viene tenuto ad una temperatura inferiore a quella fisiologica per diminuire la necessità di ossigeno delle cellule, si rallenta il metabolismo cellulare. Per poter operare il cuore serve separare i vasi del cuore dalla circolazione. Bisogna perfondere tutti gli organi vitali.

Una pompa come suction permette di recuperare il sangue che si accumula nel pericardio ogni volta che il chirurgo interviene sui vasi, va recuperata la massa di sangue. Il volume ematico va espanso per occupare tutto il volume del circuito detto di branning, con fisiologica o con trasfusione. Il sangue è aspirato dalla pompa e lo butta nel reservoir. Attraverso le cannule di aspirazione si potrebbero aspirare anche pezzi di tessuto, la presenza di un filtro permette di far passare solo il sangue. La seconda pompa è la Vet che permette di perfondere il tessuto del miocardio mediante una certa portata di