Oxigenarea artificiala - schimbul gazos alveolo-capilar

OXIGENAREA ARTIFICIALA

Oxigenarea artificiala inseamna schimbul gazos alveolo-capilar realizat intr-un sistem extracorporal cu elemente artificiale. Acest proces se efectueaza cu ajutorul unui dispozitiv numit oxigenator. El permite patrunderea 0₂ in circulatia sistemica si iesirea in principal a C0₂. Totul se efectueaza in debitul circulator care strabate compartimentele oxigenatoarelor.

Oxigenatorul are in structura sa urmatoarele elemente:

rezervorul venos;

. rezervorul arterial;

. membrana de schimb gazos (sau amestec direct 0₂ cu sange);

. schimbatorul de caldura;

. capetele pentru conexiuni;

Cateterele pentru recoltat probe;

Liniile de recirculare.

Diferentele dintre plamanul artificial si cel natural sunt inca mari, realizarile tehnice nefiind capabile sa ajunga la performantele plamanului natural. Aceste diferente sunt aratate in tabelul

Tabel 1 Diferentele intre plamanul natural sl artificial.

Se remarca in principal suprafata de schimb mult redusa a plamanului artificial (<10%) fata de cel natural.

Principii fizice

Transferul de gaz din mediul lichid in cel gazos sau invers este dirijat de diferenta de presiune partiala; este limitat de rezistenta la difuziune prin structura primara care in cazul oxigenatorului este o membrana sintetica. Un alt element care influenteaza acest transfer este raportul dintre debitul de sange.

Rata de difuziune este proportionala cu gradientul presiunii partiale a gazului in directia de difuziune.

Difuziunea O₂ in sange este mai complicata decat deductiile din legea lui Fick, pentru ca difuziunea in plasma sanguina presupune absorbtia 0₂ de catre hematii, iar acest fenomen este descris ca o functie neliniara.

Concentrarea 0₂ intr-un volum de sange se va obtine prin cresterea timpului de contact dintre interfetele membranei si hematii.

Difuziunea oxigenului prin membrana artificiala este diferita in functie de presiunea partiala a 0₂ la interfata cu sangele (Ps) si in curentul sanguin (fig. 1).

Fig. Difuziunea 0₂ in functie de distanta pana la membrana artificiala (Ps - interfata cu membrana; Pcs - presiunea partiala in curentul sanguin; CS = curent sanguin) - dupa KM. High, modificat.

Exista doua conceptii fundamentale in oxigenarea artificiala: oxigenarea cu bule de 0₂ (amestec direct) si prin membrana. Pe baza acestor principii s-au dezvoltat tehnologii pentru obtinerea a doua tipuri de oxigenatoare (cu bule si cu membrana).

Oxigenarea cu bule de oxigen

Oxigenatoarele cu bule sunt structurate pe doua componente functionale: - rezervor venos unde debitul din atriul drept si / sau vene cave intra intr-o camera de amestec cu 0₂. Sangele venos si bulele de 0₂ sunt in contact direct suficient timppentru a permite patrunderea 0₂ in hematii;

. rezervor arterial unde intra sangele oxigenat dupa indepartarea excesului de 0₂ si spuma pentru a fi preluat de inima artificiala si introdus in circulatia sistemica (fig. 2).

Fig. 2. Principiul de functionare al oxigenatorului cu bule. Drenaj venos (DV), camera de amestec (CA), despumant(DS), rezervor arterial(RA), IA (inima artificiala), aorta (AO). Rezervorul venos (RV) este compus din DV, CA, DS. In interiorul acestei structuri este inclus si sistemul de racire / incalzire.

Marimea bulelor afecteaza rata de schimb dintre 0₂ si C0₂. Absorbtia din bulele de 0₂ va fi inhibata de cresterea P0₂ din sange.

In camera de amestec 0₂ este introdus prin culoare foarte mici pentru a creste suprafata totala a interfetei sange - 0₂. Acest sistem reuseste sa scada diametrul bulelor de gaz de la 100 µm la 10 µm, suprafata de schimb intr-un cm³ de gaz va creste de la 300 cm² la 3 000 cm² (fig. 3), ceea ce va permite ca transferul de C0₂ sa fie limitat. Se deduce ca amestecul 0₂ + C0₂ va determina o oxigenare mai buna fara a permite un exces de difuziune al CO.

Pentru o oxigenare corecta raportul dintre eliminarea de C0₂ si intrarea de 0₂ este de 0,8.

Fig. 3 Relatia dintre diametrul bulelor si suprafata interfetei de schimb (dupa KM High - modificat).

Controlul oxigenarii in acest sistem este mai complicat din cauza interactiunii si transportului de C0₂. Fenomenul este in contradictie cu plamanul natural si cu oxigenatoarele cu membrana la care schimburile independente in eliminarea de C0₂ se insotesc de modificarea debitului de gaz .

Cresterea debitului de 0₂ in oxigenatoarele cu bule va creste numarul de bule ceea ce va determina o marire a suprafetei de transfer, avand ca rezultat cresterea P0₂ in sange si crearea 'gazului inert".

Oxigenarea artificiala prin membrana

Oxigenator cu membrana

Elementul fundamental al acestui tip de oxigenator il constituie interpunerea unei membrane artificiale intre componenta gazoasa si cea lichidiana (sange) astfel ca schimbul se efectueaza fara a exista un amestec direct. Transferul gazos depinde numai de difuziunea prin aceasta membrana, care este prevazuta cu micropori capabili de a selecta schimbul gazos transmembranal.

Structurile de membrana au fost concepute pe doua criterii: cu fibre escavate (hollow fiber) si plicaturate.

Fibrele sunt realizate din polipropilena si pot crea micropori cu dimensiuni mai mici de 1 micron ceea ce permite separarea componentei gazoase de cea fluida.

In interiorul acestor micropori exista o rezistenta minima la difuziune; aici se realizeaza practic schimbul gazos. In raport cu pozitia fazei sanguine fata de fibra exista doua tipuri de oxigenatoare:

- cu debit sanguin in afara fibrei (cross current)

- cu debit sanguin in interiorul fibrei (counter current).

Fig. 4 Clasificarea oxigenatoarelor cu membrana dupa raportul membranei cu micropori (MP) fata de debitul sanguin (DS) si debitul gazos (DG), HF = hollow -fiber

Pentru oxigenatoarele cu debitul sanguin in afara fibrei, acesta va cadea perpendicular pe fibre (cross current) sau in directia fibrelor. Pentru cele cu debitul sanguin in interiorul fibrelor, debitul de sange va fi in directie opusa debitului de gaz counter current (fig. 4).

Debitul sanguin cross current ofera avantajul inducerii unui debit secundar, iar cel counter current are avantajul de a diminua mult ocluzia fibrelor prin microtromboza.

Controlul oxigenarii sangelui este simplu si se realizeaza prin cresterea sau scaderea proportiei de 0₂ in amestecul gazos introdus in oxigenator.

Performantele oxigenatorului

Cel mai simplu element de apreciere a performantei oxigenatorului este determinarea 0₂ si C0₂ transferate transmembranal.

Capacitatea de schimb a oxigenatorului poate fi usor determinata folosind contractiile din faza sanguina si din faza gazoasa.

In etapa sanguina transferul de gaz poate fi calculat pe baza principiului lui Fick ceea ce inseamna transferul de 0₂ in linia venoasa fata de linia arteriala.

Aceasta diferenta poate fi multiplicata cu debitul inimii artificiale si se obtine ecuatia:

V0₂ = DS (Ca - Cv)

in care VO₂ reprezinta transportul de O₂, DS - debitul sanguin al pompei, Ca - concentratia 0₂ in linia arteriala si Cv - concentratia 0₂ in linia venoasa.

In faza gazoasa a oxigenatorului, transferul transmembranal poate fi calculat rapid dupa aceleasi criterii ca pentru faza sanguina. Prin folosirea unui spectrofotometru se poate determina concentratia de gaz la intrarea si la iesirea din oxigenator. Diferenta multiplicata cu debitul total de gaz reprezinta transferul de 0₂

V0₂ = DG (FiO₂ - FeO₂)

in care V0₂ este diferenta la intrarea si la iesirea din oxigenator, DG - debitul total de gaz, FiO₂ - fractiunea de 0₂ la intrarea in oxigenator, Fe0₂ - fractiunea de 0₂ la iesirea din oxigenator.

Din punct de vedere practic performanta oxigenatorului este supravegheata permanent prin monitorizarea 0₂ pe linia arteriala si venoasa.

Standardizarea transportului de gaze si a fluxului sanguin

Ca urmare a dezvoltarii chirurgiei cardiace, au aparut numeroase tehnologii de fabricare a oxigenatoarelor, fenomen ce a impus stabilirea unor standardizari ale performantei oxigenatoarelor si a parametrilor de functionare.

Prezentam in cele ce urmeaza standardizarile impuse de "American Association of Medical Instrumentation' (dupa J.W. Kirklin) .

Raportul C0₂ la debitul sanguin (C0₂ Reference Blood Flow) (fig. 5).

Fig. 5     Performanta oxigenatorului in transferul de O, (in vitro) (V- ventilatie, O - perfuzie) in urmatoarele conditii: sange bovin, Hb=12±1 g/ml SVO₂=65±5 %; PvC0₂=45±5mmHg, FIO_t = 100 %; BE = 0±5 mEq/l, Temperatura = 37±1 C^o

Debitul sanguin de referinta (DSR) ('Reference Blood Flow'). Debitul recomandat de producator 6l / minut care obtine cea mai mica relatie a echilibrului sanguin de 0₂ si CO_r

Index de hemoliza (IH) (Index of Hemolysis). Cantitatea de hemoglobina plasmatica (mg) produsa in vitro de testele de leziune celulara la 100 ml debit sanguin prin circuit cu si fara oxigenator in sistem. Deci:

IH = HbpO₂ - Hbp

Hbp0₂ - reprezinta hemoglobina plasmatica in circuitul cu oxigenator, iar Hbp - hemoglobina plasmatica in circuit fara oxigenator.

. Volumul de umplere initial (VUI) (Initial Priming Volume - IPV). Volumul static de sange (ml) pentru a umple faza sanguina a oxigenatorului care functioneaza la nivel minim.

Volumul maxim de lucru (Maximum operating Volume). Volumul de sange continut In oxigenator la nivelul maxim recomandat de producator pentru a obtine debit sanguin de referinta si debitul de referinta al 0₂

Volumul minim de lucru (Minjmum operating volume). Volumul de sange continut in oxigenator la nivelul minim recomandat de producator pentru a obtine debitul de referinta al 0₂ (fig. 6).

T° secunde pentru   

a atinge ml volum   

Debit sanguin (l / min)

Fig. 6 Volumul minim de lucru la diferite debite sanguine

Interactiunea membranei artificiale cu sangele

Procesele biochimice care interactiveaza la nivelul membranei artificiale nu au explicatie clara in prezent dar sunt relativ bine stabilite pe baza studierii structurilor membranelor. Cand sangele intra in contact cu o suprafata straina proteinele se depun pe partea vasculara a membranei realizand o acoperire de aproximativ 50 A. Primele proteine care declanseaza acest proces sunt albuminele, fibrinogenul si globulinele. in contact cu suprafata artificiala aceste proteine sufera modificari structurale in functie de suprafata polimerilor.

La stratul de proteine modificat se adauga trombocitele si leucocitele deja sensibilizate la modificarile de structura ale proteinelor. Aceasta masa de proteine si trombocite poate fi cheag alb (fig. 7).

Baier descrie trei modificari de interfata: la nivelul texturii, de suprafata si biochimice

Suprafete neregulate mai mici de 1 micron nu afecteaza compatibilitatea cu sangele.

Caracteristicile chimice ale membranei artificiale pot influenta depunerea proteinelor exercitand indirect un efect antitrombogen.

In oxigenatoarele fara membrana bufele de gaz se pot acoperi cu un material compus din trombocite, material lipoid, proteine, hematii aglutinate, leucocite activate.

Aceste elemente pot declansa in circulatia sistemica substante active (serotonina, histamine, kinine, prostaglandine) care pot modifica permeabilitatea capilara si conditiile de perfuzie (vasoconstrictie, vasodilatatie).

Fig. 7