Workshop Istituto Superiore Sanità Modelli Di Interazione VAD Ventricoli

28.11.2002 Ing. Maurizio Arabia; Ing. Francesco Maria Colacino; Ing. Fabio Piedimonte.

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.

Modelli di Interazione

VAD-VentricoliRELATORI:

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

28.11.2002 Workshop all’Istituto Superiore di Sanità

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

mailto:[email protected]








Introduzione




Le modalità di funzionamento del ventricolo patologico

assistito con VAD possono favorirne il recuperoI criteri per identificare una patologia correggibile con VAD sono basati su

misure cliniche e valutazioni bioingegneristiche.

Valutazioni Bioingegneristiche:

• Stime di parametri del modello del

ventricolo (elastanze differenziali

variabili);

• volumi intraventricolari;

• misure di pressione;

• sollecitazioni di parete;

• rendimento energetico;

• analisi morfologia delle forme d’onda

(picchi delle f.d.o. della portata atrio-

ventricolo);

• relazioni portata-preload-afterload

(Starling).

Misure Cliniche:

• Osservazioni della geometria

esterna del cuore e della cinetica

delle sue pareti;

• misure fluidodinamiche;

• frazione d’eiezione;

• volume medio ventricolare;

• portata cardiaca.




PV max fisiologica

PV max patologica

PV min fisiologica

PV min patologica

Modifica ciclo di Lavoro




Diminuzione Stroke Volume e Diminzione

Frazione d’Eiezione

SV fisiologico

SV patologico

SV fisiologico

SV patologico

A B C D

D

CD

B

AB

V

VV

V

VV




Aumento Volume Medio




Diminuzione della pressione media di eiezione




RossaAreaGiallaAreaBluArea

BluArea

Diminuzione del rendimento energetico




113

2

V

V

P

P

Aumento delle sollecitazioni di parete

La sollecitazione in questo caso aumenta notevolmente, in quanto

la diminuzione di P è minore dell’aumento di V




1000 2500

1020

6

0

3

Afterload (mmHg)

Port

ata

(l/m

in)

Relazione Portata-

Preload-Afterload

0

6

100

12

0250

0P

ort

ata

(l/m

in)

10

Afterload (mmHg)

20

Caso Patologico:

Q=4.5; Pr = 18; Af=80;

Caso Fisiologico:

Q=5; Pr = 10; Af=100;

La Portata diminuisce;

Il Preload aumenta;

L’Afterload diminuisce.




LV

RV

Caso Patologico

LVRV

Caso Fisiologico




Afterload

Preload

Frazione Eiezione

Q

SV

V medio ventricolo

Riepilogo Parametri Bioingegneristici di

Valutazione della Patologia




Afterload

Preload

Frazione Eiezione

Q

SV

V medio ventricolo

Azioni Correttive

Finalizzate alla Sopravvivenza

Q

Preload

Afterload

Finalizzate al Recupero

V medio ventricolo

SV

Frazione Eiezione




Interazione

Ventricolo-VAD a Flusso Pulsato




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.




Ventricolo Patologico

Ventricolo Patologico Assistito

V medio ventricolo

SV

Frazione Eiezione

Dal ciclo di lavoro si

osserva:

Il funzionamento è favorevole al recupero, in quanto il ventricolo

funziona con corretti valori del volume e con pressioni sistoliche

ridotte.




Port

ata

(l/m

in)

0 1000

10

20

5

0

2.5

Afterload (mmHg)

I valori di Portata consentiti dalla relazione di Starling possono non

essere soddisfacenti per un’accettabile sopravvivenza in caso di

patologia particolarmente grave.




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.




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.




V medio ventricolo ?

SV

Frazione Eiezione


osserva:

Il VAD in parellelo si sostituisce quasi completamente al ventricolo,

che lavora in condizioni meccaniche sfavorevoli. In queste condizioni

non si favorisce il recupero.

Ventricolo Patologico

Ventricolo Patologico Assistito




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




Connessione Serie

Il VAD può essere connesso

meccanicamente in serie al

ventricolo (collegamento aorta-

aorta).

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




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.




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.




Interazione

Ventricolo-VAD a Flusso Continuo




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.




Q

DP

w

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.




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.




V medio ventricolo

SV

Frazione Eiezione ?


osserva:

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.




Conclusioni




Caratteristiche di un vad orientato al recupero

a) garantire sempre una portata e

quindi una perfusione

adeguata alle esigenze

dell’organismo

b) migliorare il funzionamento

meccanico del ventricolo

patologico

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.




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;




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).




.....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.

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