Workshop Istituto Superiore Sanità Modelli Di Interazione Vad Ventricoli

28.11.2002

Ing. Maurizio Arabia; Ing. Francesco Maria Colacino; Ing. Fabio Piedimonte. 28.11.2002 Workshop all’Istituto Superiore di Sanità

Dispositivi di Assistenza Meccanica alla Circolazione: Stato dell’Arte, Test, Problemi Aperti

Modelli di Interazione VAD-Ventricoli RELATORI: Ing. Maurizio Arabia [email protected] Ing. Francesco Maria Colacino [email protected] Università della Calabria, Dipartimento Di Ingegneria Meccanica

Ing. Fabio Piedimonte [email protected] Università Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dipartimento di Informatica Sistemi e Produzione

Gruppo di Lavoro Hybrid Life Machines (HLM) http://fabiop.altervista.org/hlm/hlm.html Univ. della Calabria, Dip. di Ingegneria Meccanica; Hybrid Life Machines (HLM) Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dip. di Informatica Sistemi e Produzione.

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Ing. Maurizio Arabia; Ing. Francesco Maria Colacino; Ing. Fabio Piedimonte.

Introduzione

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Le modalità di funzionamento del ventricolo patologico assistito con VAD possono favorirne il recupero I criteri per identificare una patologia correggibile con VAD sono basati su misure cliniche e valutazioni bioingegneristiche. Valutazioni Bioingegneristiche: Misure Cliniche: • Osservazioni della geometria • Stime di parametri del modello del esterna del cuore e della cinetica ventricolo (elastanze differenziali variabili); delle sue pareti; • volumi intraventricolari; • misure fluidodinamiche; • misure di pressione; • frazione d’eiezione; • sollecitazioni di parete; • volume medio ventricolare; • rendimento energetico; • portata cardiaca. • analisi morfologia delle forme d’onda (picchi delle f.d.o. della portata atrioventricolo); • relazioni portata-preload-afterload (Starling). Univ. della Calabria, Dip. di Ingegneria Meccanica; Hybrid Life Machines (HLM) Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dip. di Informatica Sistemi e Produzione.

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Modifica ciclo di Lavoro

PV max fisiologica PV max patologica

PV min patologica

PV min fisiologica Univ. della Calabria, Dip. di Ingegneria Meccanica; Hybrid Life Machines (HLM) Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dip. di Informatica Sistemi e Produzione.

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Diminuzione Stroke Volume e Diminzione Frazione d’Eiezione VB  VA VD  VC  VB VD

SVSV fisiologico fisiologico

SV patologico SV patologico

A

B

C

D

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Aumento Volume Medio

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Diminuzione della pressione media di eiezione

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Diminuzione del rendimento energetico Area Blu  Area Blu  Area Gialla  Area Rossa

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Aumento delle sollecitazioni di parete



P 2 3

 VP  1    1  V  La sollecitazione  in questo caso aumenta notevolmente, in quanto la diminuzione di P è minore dell’aumento di V

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6

Portata (l/min)

12

Relazione PortataPreload-Afterload La Portata diminuisce; Il Preload aumenta; L’Afterload diminuisce. Caso Patologico: Q=4.5; Pr = 18; Af=80;

0 20

6 3

10 0

100

0 20

0

250 Afterload (mmHg) Caso Fisiologico: Q=5; Pr = 10; Af=100;

10 0

100 250 0 Afterload (mmHg)

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Portata (l/min)

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Caso Fisiologico

RV

LV

Caso Patologico

RV LV

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Riepilogo Parametri Bioingegneristici di Valutazione della Patologia V medio ventricolo SV

Q Frazione Eiezione 

 Preload Afterload Univ. della Calabria, Dip. di Ingegneria Meccanica; Hybrid Life Machines (HLM) Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dip. di Informatica Sistemi e Produzione.

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Azioni Correttive

V medio ventricolo SV

Finalizzate alla Sopravvivenza Q Preload Afterload

Q Frazione Eiezione 

 Preload

Afterload

Finalizzate al Recupero V medio ventricolo SV Frazione Eiezione  

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Interazione Ventricolo-VAD a Flusso Pulsato

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Ventricolo e VAD in serie

Tutto il sangue che scorre attraverso il Ventricolo scorre anche attraverso il VAD. La differenza di pressione tra atrio e aorta è la somma dei salti di pressione in Ventricolo e VAD.

Per un corretto funzionamento il VAD deve funzionare in modo sincrono ed in controfase rispetto al ventricolo. L’azione di un VAD in serie è ridurre l’afterload del Ventricolo.

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Dal ciclo di lavoro si osserva: V medio ventricolo SV Frazione Eiezione  

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Ventricolo Patologico Assistito Ventricolo Patologico

Il funzionamento è favorevole al recupero, in quanto il ventricolo funziona con corretti valori del volume e con pressioni sistoliche ridotte. Univ. della Calabria, Dip. di Ingegneria Meccanica; Hybrid Life Machines (HLM) Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dip. di Informatica Sistemi e Produzione.

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Portata (l/min)

5

2.5

0

20 10 0 Afterload (mmHg) 100

0

I valori di Portata consentiti dalla relazione di Starling possono non essere soddisfacenti per un’accettabile sopravvivenza in caso di patologia particolarmente grave. Univ. della Calabria, Dip. di Ingegneria Meccanica; Hybrid Life Machines (HLM) Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dip. di Informatica Sistemi e Produzione.

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Ventricolo e VAD in Parallelo

Il VAD e il ventricolo hanno in comune le pressioni di ingresso e di uscita. La portata totale è la somma delle portato generate dal VAD e dal ventricolo.

L’azione di un VAD in parallelo è incrementare la portata totale.

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RV

VAD + LV

LV Patologico

LV Patologico Assistito

Oltre alla portata totale vengono normalizzate le pressioni in atrio e aorta. Il funzionamento parallelo è favorevole alla sopravvivenza. Univ. della Calabria, Dip. di Ingegneria Meccanica; Hybrid Life Machines (HLM) Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dip. di Informatica Sistemi e Produzione.

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Dal ciclo di lavoro si osserva: V medio ventricolo ? SV Frazione Eiezione  

Ventricolo Patologico Assistito Ventricolo Patologico

Il VAD in parellelo si sostituisce quasi completamente al ventricolo, che lavora in condizioni meccaniche sfavorevoli. In queste condizioni non si favorisce il recupero. Univ. della Calabria, Dip. di Ingegneria Meccanica; Hybrid Life Machines (HLM) Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dip. di Informatica Sistemi e Produzione.

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Funzionamento Serie: Ottimo per il recupero ma non sempre garantisce una soddisfacente perfusione del paziente.

Funzionamento Parallelo: Pessimo per il recupero ma ottimo per la sopravvivenza.

E’ possibile aggiungere al funzionamento serie qualcosa del funzionamento parallelo a vantaggio di una migliore perfusione, e quindi ottenere entrambi i vantaggi? Dipende da come è connesso il VAD Univ. della Calabria, Dip. di Ingegneria Meccanica; Hybrid Life Machines (HLM) Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dip. di Informatica Sistemi e Produzione.

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Connessione Serie Il VAD può essere connesso meccanicamente in serie al ventricolo (collegamento aortaaorta). Non si usa per mancanza di spazio.

Connessione Parallela Il VAD può essere connesso meccanicamente in parallelo al ventricolo (collegamento atrio -aorta). Poco usato.

I funzionamenti descritti precedentemente sono ottenuti in via meccanica. Con queste connessioni non è possibile un funzionamento misto Univ. della Calabria, Dip. di Ingegneria Meccanica; Hybrid Life Machines (HLM) Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dip. di Informatica Sistemi e Produzione.

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Connessione Apicale Il VAD preleva sangue dall’apice del ventricolo e lo eietta in aorta. A seconda della temporizzazione del VAD si possono ottenere i seguenti eventi:

1. Il ventricolo ed il VAD si riempiono contemporaneamente, ricevendo entrambi sangue dall’atrio; 2. Il VAD si riempie dal ventricolo che eietta; 3. Il VAD si riempie in parte dall’atrio e in parte dal ventricolo che eietta. Se il VAD è asincrono rispetto al Ventricolo, il funzionamento varia con continuità tra i tre casi. Il ciclo di lavoro si sposta continuamente tra il funzionamento parallelo e quello serie. Univ. della Calabria, Dip. di Ingegneria Meccanica; Hybrid Life Machines (HLM) Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dip. di Informatica Sistemi e Produzione.

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Se il VAD è sincrono rispetto al ventricolo, il caso 1 coincide con il funzionamento parallelo (e VAD e ventricolo devono essere in fase), il caso 2 con il funzionamento serie (e VAD e ventricolo devono essere in controfase), il caso tre è un funzionamento misto. In particolare, se il VAD lavora in serie, ma il suo riempimento inizia prima del termine dalla diastole del ventricolo e termina alla fine dell’eiezione di quest’ultimo si migliora la funzione di Starling del sistema ventricolo-VAD, ottenendo perfusioni soddisfacenti per il paziente. Questo preriempimento è ottenuto sfruttando la contrattilità atriale a fine diastole che altrimenti andrebbe persa in quanto il ventricolo è prossimo alla saturazione in volume. Univ. della Calabria, Dip. di Ingegneria Meccanica; Hybrid Life Machines (HLM) Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dip. di Informatica Sistemi e Produzione.

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Interazione Ventricolo-VAD a Flusso Continuo

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I VAD a flusso continuo sono sempre in connessione apicale.

Il sangue fluisce continuamente verso l’aorta dal ventricolo attraverso il VAD. L’azione del VAD a flusso continuo è aumentare la prevalenza del sangue per garantire una corretta perfusione media in aorta e diminuire l’afterload a valle del ventricolo.

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Pulsatilità dei VAD a flusso continuo Un VAD a flusso continuo consente di ottenere in aorta una, seppur limitata (circa 15 mmHg picco-picco contro i 40 mmHg fisiologici), pulsatilità della pressione e della portata. Ciò è determinata dalla relazione Portata-Differenza di Pressione ai capi della pompa per una fissata velocità angolare della girante.

Q

w DP Univ. della Calabria, Dip. di Ingegneria Meccanica; Hybrid Life Machines (HLM) Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dip. di Informatica Sistemi e Produzione.

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Se la pressione in aorta fosse costante la pulsatilità del ventricolo indurrebbe il VAD ad elaborare una portata pulsatile. Ma con una portata pulsatile non sarebbe possibile una pressione in aorta costante. Se la pulsatilità della pressione in aorta fosse fisiologica il salto di pressione ai capi del VAD sarebbe costante, e quindi il flusso sarebbe continuo. Anche questo contraddice l’ipotesi in quanto con flusso continuo si dovrebbe avere una pressione in aorta costante.

Quindi la pressione in aorta pulsa ma in modo limitato rispetto al fisiologico. Un VAD a flusso continuo dotato di girante a velocità variabile, ed opportunamente controllato, può fornire una pulsatilità fisiologica. Univ. della Calabria, Dip. di Ingegneria Meccanica; Hybrid Life Machines (HLM) Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dip. di Informatica Sistemi e Produzione.

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Dal ciclo di lavoro si osserva: V medio ventricolo SV Frazione Eiezione  

?

Il funzionamento è favorevole al recupero, in quanto il ventricolo funziona con corretti valori del volume e con pressioni sistoliche ridotte. La riduzione dello stroke volume è compensata dalla portata del VAD che provvede a garantire una corretta perfusione media. Univ. della Calabria, Dip. di Ingegneria Meccanica; Hybrid Life Machines (HLM) Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dip. di Informatica Sistemi e Produzione.

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Conclusioni

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Caratteristiche di un vad orientato al recupero a) garantire sempre una portata e b) migliorare il funzionamento meccanico del ventricolo quindi una perfusione patologico adeguata alle esigenze dell’organismo

Adeguata funzione portata preload afterload del sistema ventricolo assistito + vad

un opportuno insieme di valori per i volumi, le pressioni, le portate, i rendimenti energetici, le sollecitazioni di parete.

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Come Ottenerle? Il VAD deve: 1. controllare l’afterload medio ed istantaneo del ventricolo da assistere (funzionamento in serie) rendendolo adeguato al suo stato contrattile; 2. stimare ed aggiornare periodicamente i valori dei parametri che definiscono lo stato contrattile del ventricolo (elastanza differenziale del modello), che variano come conseguenza di un possibile recupero funzionale, regolando il suo apporto energetico alle esigenze del ventricolo stesso;

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Azione da eseguire per spostare il punto di lavoro del ventricolo Ridurre il valore medio dell’afterload

Controllare l’impedenza meccanica istantanea verso la quale il ventricolo assistito eietta

Studi di tipo biochimico e clinico dovrebbero fornire indicazioni nella terapia da applicare da un punto di vista farmacologico e meccanico (legge di controllo dell’afterload). Univ. della Calabria, Dip. di Ingegneria Meccanica; Hybrid Life Machines (HLM) Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dip. di Informatica Sistemi e Produzione.

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.....Ancora Il miglioramento della portata potrebbe risultare insufficiente per una corretta perfusione dell’organismo (a causa di una elastanza massima notevolmente ridotta dalla patologia) Potrebbe risultare necessario integrare il deficit in portata con un contributo aggiuntivo di portata che il vad preleva dall’atrio durante una parte della diastole del ventricolo assistito

Ciò è possibile sia in un vad a flusso pulsato, sia in un vad a flusso continuo. Quanto detto può costituire una parte delle specifiche di funzionamento di un vad e dei protocolli di prova di vad esistenti. Univ. della Calabria, Dip. di Ingegneria Meccanica; Hybrid Life Machines (HLM) Univ. Di Roma “Tor Vergata”, Facoltà di Ingegneria, Dip. di Informatica Sistemi e Produzione.