Bomba circulatoria Extracorpórea de Acción Pulsátil, BECAP

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Cirugía Cardíaca/Cardiovascular Surgery
Bomba circulatoria Extracorpórea de Acción Pulsátil, BECAP
Bustamante John*, Mejía Sergio**, Zuleta Lina**, Valbuena Javier*,
Chamat Juan**, Del Valle Catalina**
*Grupo de Dinámica Cardiovascular de la Universidad Pontificia Bolivariana y
Centro Cardiovascular Colombiano Clínica Santa María, Medellín, Colombia.
**Grupo de Investigaciones en Bioingeniería de la Universidad
Pontificia Bolivariana, Medellín, Colombia.
RESUMEN
Introducción: La circulación extracorpórea es una técnica de soporte para cirugía cardiaca consistente en
desviar el flujo sanguíneo que retorna al corazón hacia un circuito que soporta la oxigenación y el bombeo
sanguíneo. Su funcionamiento se regula mediante variables hemodinámicas y su control se realiza con
procedimientos ejecutados por el técnico perfusionista. Aunque esta técnica ha sido de enorme valor, se
ha demostrado que la falta de pulsatilidad del flujo entregado por bombas actuales puede ser una causa
importante de complicaciones durante y luego del procedimiento.
Objetivos: El objetivo principal fue desarrollar un dispositivo articulable con máquinas de corazónpulmón, de forma que convierta el flujo continuo en pulsátil. Igualmente se buscó la automatización del
proceso funcional para que los perfusionistas puedan atender otras tareas durante el procedimiento; con
este fin, se desarrolló un sistema de control inteligente mediante Lógica Difusa utilizando el programa
LabVIEW TM .
Material y métodos: Se construyó un prototipo de bomba, previo diseño y simulación del
comportamiento con herramientas CAD, así como se desarrollaron interfaces que comunican al control con
los equipos de monitoreo y prototipo físico. El control recibe datos de los equipos de monitoreo, los
procesa y entrega al elemento de bombeo valores que generan la intermitencia en el flujo.
Resultados: Se realizaron pruebas, emulando condiciones de un paciente y evaluando la estabilidad del
sistema y la efectividad del diseño, comparándose con simulaciones previas. Se registraron las curvas:
Caudal-Presión, Presión de pulso-Volumen latido, Presión de pulso-Resistencia; utilizando diferentes
viscosidades y frecuencias, logrando un gasto cardíaco estable. Se conectó el control a los equipos de
monitoreo, comprobando posteriormente que respondió según lo esperado ante los cambios presentados.
Discusión y Conclusión: Se reconoce la importancia de continuar con la optimización de un prototipo
que pueda probarse en modelos animales, donde se evalúe el comportamiento hemodinámico bajo
condiciones especificadas.
INTRODUCCION
La circulación extracorpórea (CEC) es una técnica de soporte para cirugía cardiaca que consiste en desviar
el flujo de sangre que retorna al corazón hacia un circuito que soporta las funciones de bombeo y
oxigenación de la sangre.
Las complicaciones asociadas a las condiciones anti-fisiológicas presentadas en los procedimientos con
CEC (hemodinámicas, neurológicas, hematológicas, renales, etc.) es un tema que por años viene siendo
motivo de estudio por la comunidad científica y médica. La hipotermia y sobre todo el cambio en el patrón
del flujo de pulsátil a continuo generado por las bombas actuales, pueden ser unas de las causas de
alteraciones funcionales presentadas en el paciente durante y después de la cirugía [1].
Los estudios realizados utilizando perfusión pulsátil indican que ésta es más fisiológica, produce menos
estrés operativo, disminuye la resistencia vascular pulmonar y el organismo requiere menor consumo de
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oxígeno, también permite una recuperación cerebral más rápida y una extubación más temprana, lo que
hace menor la estancia hospitalaria del paciente [2,3].
La CEC ha estado lejos de ser un proceso automatizado debido a su complejidad intrínseca y a los altos
costos que conlleva el desarrollo y la construcción de los dispositivos involucrados. A pesar de los
múltiples reportes en la literatura sobre la posibilidad de realizar esta técnica con perfusión pulsátil, en la
actualidad no hay ningún dispositivo que haya sido aprobado para su uso en humanos debido a la
incertidumbre sobre los posibles beneficios y daños derivados de estos procedimientos [4].
OBJETIVOS
Este proyecto tuvo como principal objetivo el diseño y la construcción de un prototipo automatizado de
bomba que pueda conectarse a las máquinas actuales y convierta el flujo continuo en pulsátil.
MATERIALES Y METODOS
Se diseñó un sistema de control inteligente generador de la intermitencia del flujo, se desarrolló una
interfaz que permitió la comunicación entre los equipos de monitoreo, el control y el dispositivo, y se
construyó un prototipo mecánico de bomba habiendo realizado previamente el diseño y simulación de su
comportamiento utilizando herramientas CAD (SolidEdge V.12™).
El prototipo de bomba está compuesto por una carcasa de forma cilíndrica que contiene un elemento de
bombeo elástico de forma fusiforme y simétrico. El flujo del líquido se obtiene aplicando aire comprimido y
haciendo vacío alternadamente en la sección anular que se forma entre el diafragma y la carcasa. Tanto el
aire comprimido como el vacío se ajustan con válvulas reguladoras y se aplican a la cámara mediante
válvulas solenoides.
La bomba utiliza la técnica de Lógica Difusa para el control, esta le permite adaptar autónomamente la
cantidad y periodicidad de la entrega del fluido dependiendo del comportamiento de variables
hemodinámicas en el paciente.
Las variables de entrada del control: presión arterial media PAM (mmHg), resistencia vascular periférica
RVP ( dinas·sg·cm -5 ) y saturación venosa de oxígeno SvO 2 (%), son obtenidas de los equipos de
monitoreo y su variación determina los cambios en las variables de salida: frecuencia de eyección
(pulsaciones/min) y volumen de eyección (ml). El volumen de eyección varía para cada paciente de
acuerdo a la superficie corporal, pero su valor relativo permanece constante durante el procedimiento.
Mediante la interfaz de comunicaciones el elemento de control difuso recibe los datos de los equipos de
monitoreo de signos vitales utilizados durante el procedimiento quirúrgico, los procesa e interpreta, y
genera una instrucción a las válvulas solenoides mediante la interfaz de control, los valores que generan la
intermitencia en el flujo. Se emula la conexión del prototipo en la salida de bombas tipo roller (de rodillos)
para que varíe el flujo continuo preestablecido que estas entregan a flujo pulsátil.
Se utilizó el programa LabVIEW 7™, su módulo de control con herramientas de lógica difusa y una tarjeta
de adquisición de datos
En la figura 1 se describe el sistema que es implementado.
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Figura 1: Sistema de conexón entre paciente, equipos de monitoreo,
control y BECAP.
La geometría y el accionamiento básico del dispositivo se presentan en la figura 2.
Figura 2: Geometría y accionamiento básico del prototipo mecánico
El panel de control cuenta con seis ventanas de gráficas que muestran las señales provenientes de los
equipos de monitoreo y el comportamiento de las variables de salida de la bomba a medida que se va
realizando el control, además cada una cuenta con un indicador de alerta que se enciende al detectar
valores por encima o por debajo de los permitidos.
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Figura 3: Interfaz de control para niños
RESULTADOS
Una vez se integraron los elementos del prototipo construido, las interfaces y el control, se realizaron
pruebas en un laboratorio de hidrodinámica que cuenta con una red de presión y vacío adaptable a las
necesidades del proyecto y donde se examinó el comportamiento fluidodinámico del sistema.
Las pruebas del control consistieron en verificar que los valores de flujo entregados por procesos de
simulación, equivalían a la cantidad de fluido que físicamente expulsa la bomba, para lo cual se utilizó un
flujómetro magnético BURKET™.
De la caracterización hidráulica del prototipo se obtuvieron múltiples curvas que sirvieron para la
evaluación del sistema: Caudal vs. Presión, Presión de Pulso vs. Resistencia Variable, con o sin bomba de
rodillos, utilizando diferentes viscosidades y frecuencias según las condiciones de ensayo y logrando que
se consiguieran entre 1.32 y 3 litros por minuto.
En las primeras pruebas realizadas se usó solución salina como fluido de trabajo, posteriormente se
aumentó la densidad y viscosidad del fluido con Carboximetil Celulosa (CMC) para obtener características
similares a la sangre ( r 1.055 gr/cm 3 ; m 4.5 cPo).
Se evaluó la respuesta de la bomba ante los aumentos de resistencia en la descarga a 60 y 70 pul/min y
con presiones de suministro de 9 y 12 PSI ( Tabla I ) donde s e observa que al aumentar la frecuencia, el
flujo aumenta y la presión de pulso disminuye.
Pruebas adicionales se realizaron en los quirófanos y consistieron en conectar el controlador al equipo de
monitoreo Lifescope12™ por medio de la tarjeta de adquisición de datos. Se utilizó un sistema hidráulico
con columna de mercurio para simular la presión del paciente, que fue conectada tanto al Lifescope12™
como al computador donde se usó el programa con la interfaz de adulto.
Se comprobó que el dato simulado se registraba adecuadamente en la ventana de PAM y que el
controlador difuso respondía correctamente ante los cambios presentados, ajustando cada situación a una
regla que describía la forma de actuar del perfusionista.
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Tabla I: Resultados de evaluación de la bomba ante cambios en
la presión de suministro y frecuencia de pulso.
DISCUSION
Se logró generar un flujo pulsátil basado en condiciones específicas del paciente y cuya frecuencia de
intermitencia puede variar o permanecer constante durante el procedimiento.
Los resultados obtenidos indicaron que la fijación de los parámetros de control y la evaluación del
comportamiento del sistema, fueron adecuados.
En las pruebas realizadas tanto con datos simulados como con datos de registros de cirugías se emularon
condiciones de estabilidad e inestabilidad hemodinámica que sirvieron para evaluar la efectividad en la
toma de decisiones del controlador y el desempeño del prototipo mecánico construido.
Se buscó aprovechar las bondades del control inteligente para lograr la automatización de las máquinas
para CEC, concentrando en un sólo programa la adquisición de las principales señales monitoreadas en el
paciente, el análisis de sus cambios y la entrega de los valores que determinan el comportamiento del
prototipo.
CONCLUSIONES
La experiencia adquirida en la evaluación del prototipo mecánico construido, el control difuso y las
interfaces desarrolladas permitirán seguir optimizando las características del flujo de salida en próximas
fases, en las cuales se buscará rediseñar el prototipo mecánico para conseguir mayores cantidades de
flujo y utilizar un microcontrolador que facilite el uso del programa en cualquier ambiente sin depender de
la disponibilidad de un PC.
La lógica difusa fue una herramienta útil y efectiva en la solución del problema que se busca resolver ya
que se contó con un sistema complejo, no-lineal y dependiente de acciones humanas, características
ideales para la aplicación de esta técnica.
Las interfaces de comunicación y control desarrolladas fueron elementos claves en el correcto
funcionamiento del sistema permitiendo que los equipos de monitoreo, el control y el prototipo se
conectaran entre sí y que los datos trasmitidos entre ellos fueran confiables y oportunos.
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Se reconoce la importancia de continuar con la construcción de un dispositivo que pueda probarse esta
vez, en modelos animales o en otros modelos físicos donde se evalúe el comportamiento de la sangre bajo
las condiciones ya especificadas.
BIBLIOGRAFÍA
1.
2.
3.
4.
F. Le Deist, Ph. Menasché, Ch. Kucharski, et al, “Hypothermia During Cardiopulmonary Bypass Delays but
does not Prevent Neutrophil– Endothelial Cell Adhesion”. Circulation, vol. 92, pp. 354-358, 1995
S. Khalaf and N. Mageed. “Pulsatile versus non - pulsatile cardiopulmonary Bypass”. J. of Egypt . Society of
Cardiothorac. Surg ., vol. XI, No. 1, January 2003
G. Wright, “Hemodynamic analysis could resolve the pulsatile blood flow controversy”. Ann Thorac Surg ,
vol. 58, pp. 1199- 1204, 1994
J. Utley, Pathophysiology and Techniques of Cardiopulmonary Bypass. Williams & Wilkins. Vol II, Baltimore,
1983.
Publicación: Octubre 2005
Tope
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