Détermination de la pression d’admission d’une canule renvoyant du sang vers un circuit ECMO

Matthew Lozoya

Détermination de la pression d’admission d’une canule renvoyant du sang vers un circuit ECMO


Qu’essayons-nous de comprendre:

Nous voulons savoir s’il est possible de déterminer la pression de l’entrée du cathéter qui renvoie le sang désoxygéné au système ECMO pour aider à empêcher l’effondrement des tissus à l’extérieur de l’entrée, ce qui, à son tour, endommagerait les tissus des vaisseaux impliqués. Un blocage dû à l’effondrement des tissus pourrait également interrompre le flux sanguin vers le patient, créant un événement grave. Vous trouverez ci-dessous une description de base du fonctionnement de l’oxygénation membranaire extra corporelle.

Un circuit ECMO de base:

La base de l’ECMO est de fournir l’oxygénation et la circulation sanguine du corps lorsque les poumons ou le cœur ne sont pas en mesure de le faire. La pompe de circulation contrôle le flux sanguin à travers le corps et le circuit ECMO. Des canules sont insérées dans le corps jusqu’au cœur pour assurer la circulation sanguine. Le sang est pompé à travers une membrane d’oxygénation puis à travers un échangeur de chaleur et dans le corps. En même temps, le sang désoxygéné est également retiré du corps par la même pompe de circulation pour être réoxygéné et le cycle continue.

Configuration simple du circuit ECMO

Des transducteurs de pression sont utilisés dans tout le système pour garantir que le sang coule correctement.

  • P1: Pression de membrane de pré-oxygénation (standard à l’échelle nationale)

    • Détermine s’il y a un problème avec l’oxygénateur
  • P2: Pression de membrane post-oxygénation (standard à l’échelle nationale)

    • Détermine s’il y a un problème d’écoulement dans le patient
  • P3: pression de retour avant la pompe (standard à l’échelle nationale)

    • Détermine s’il y a un problème avec le retour de sang du patient Situé sur un plan beaucoup plus bas que le patient

Conception de canule ECMO

Lorsque les canules sont insérées dans le corps, elles sont placées dans le système circulatoire comme ci-dessous. La pointe de la canule est conçue pour tirer le sang désoxygéné à travers plusieurs trous au SVC et IVC tout en poussant simultanément le sang oxygéné dans l’oreillette droite du cœur.

Canule ECMO

Pratique courante

Est essentiellement de deviner la pression au cathéter en fonction de la pression P3 qui est située en dessous du patient par une différence verticale de 1 à 4 pieds. Les cliniciens ajustent la taille du patient pour changer la pression de P3 ou ajuster le débit de sang si l’oxygénation et la pression artérielle le permettent.

Qu’avons-nous fait jusqu’à présent?

Un nouveau transducteur de pression P4 a été introduit dans le système à la même hauteur que le patient pour induire éventuellement la pression que nous recherchons.

J’ai été amené à cartographier les différences de pression entre P3 et P4 à différentes hauteurs sur un graphique. Mais je sentais que cela n’était pas utile car il ne tient pas compte du cathéter et du flux sanguin. Elle ne montre également que l’effet de la gravité sur les pressions.

Et puis je me suis souvenu de l’école qu’il y avait une équation qui pourrait probablement résoudre la question qu’ils voulaient.

Je pense que l’équation de Bernoulli s’applique directement à cette situation, mais je ne suis pas sûr et je ne sais pas comment l’appliquer à ce système complexe. Et puisque je suis un grand utilisateur de Super User et Stack Overflow, je pensais que la physique serait en mesure de m’aider dans cette affaire!

Ce que je pense que nous devons savoir pour formuler un moyen de prédire la pression:

  1. Densité de sang: 1060 kg / M3
  2. L’unité de mesure du débit: cc / min
  3. L’unité de mesure pour les transducteurs de pression: mm / Hg
  4. Diamètre et longueur du cathéter ECMO
  5. Diamètre et longueur du tube de l’entrée du cathéter à P3
  6. Diamètre et longueur du tube de l’entrée du cathéter à P4
  7. Différence verticale entre l’entrée du cathéter et P3

Faites-moi savoir ce qui serait nécessaire d’autre et comment nous pouvons trouver une solution pour cela ou si vous avez des idées sur la façon de simplifier ce problème, n’hésitez pas à commenter.

Idéalement, la solution expliquerait comment obtenir la pression et pourrait éventuellement fournir une formule à laquelle nous pourrions nous en entrant les variables requises pour renvoyer une valeur de pression possible estimée.

Malheureusement, ce ne sont que des cliniciens et n’ont presque aucune connaissance de la dynamique des fluides, donc votre aide est grandement appréciée!

METTRE À JOUR:

J’ai obtenu un peu plus d’informations qui aideront à résoudre le problème, il s’avère que les fabricants ont une table de chute de pression pour chaque type de canule qui indique la chute de pression de la canule à différents débits qui ressemble à ceci:

La chute de pression

Nous allons contacter les fabricants et savoir où ils mesurent la pression pour ce tableau et si c’est là que se trouve notre P4, cela devrait considérablement réduire le travail nécessaire pour ce problème, annulant complètement la nécessité du capteur P3 dans le problème.

Si j’ai raison, nous devrions être en mesure de marcher à reculons depuis le P4 et d’ajouter la chute de pression pour obtenir la pression à l’intérieur de la canule, alors ce serait juste une question de déterminer la pression RA à partir de cela.

tpg2114

Juste pour que je sois clair, vous essayez de trouver la pression sur l’étoile jaune sur votre photo en utilisant toutes les autres informations dont vous disposez? Il y a beaucoup de texte ici et j’ai du mal à tout assembler.

Matthew Lozoya

Oui, c’est exact J’attends toujours de recevoir une réponse de l’équipe sur l’unité de mesure du débit et des pressions

tpg2114

Je ne suis pas encore trop inquiet pour les unités, j’essaie juste de comprendre le problème. Ces capteurs de pression mesurent-ils donc la pression statique ou la pression totale? Par exemple, mesurent-ils la pression tangentielle (pression statique) à l’écoulement, normale à l’écoulement (comme un tube de Pitot ), ou les deux (une configuration pitot-statique )?

Matthew Lozoya

Je ne suis pas sûr mais je serai plus qu’heureux de clarifier cela. Une partie de l’équipe qui devrait être experte en la matière arrivera sous peu car elle travaille généralement de jour

tpg2114

Aucun problème. Je travaille actuellement sur une réponse et je l’affinerai / la réviserai à mesure que de plus amples informations seront disponibles

Réponses


 tpg2114

Permettez-moi de commencer par quelque chose qui devrait être évident, mais je ressens l’énorme besoin de le dire – je ne suis pas formé dans le domaine biomédical et ce que je mets dans ma réponse ne doit pas être interprété comme définitif et prêt à l’emploi en réalité les patients. Je ferai de mon mieux et présenterai ce que je pense être correct, mais je ne suis pas médecin et je ne prétends même pas en jouer un à la télévision.


D’accord, c’est un problème intéressant. Vous mentionnez l’utilisation de l’équation de Bernoulli et ce serait vraiment pratique à utiliser ici si nous avons toutes les informations. Pour être complet, l’équation dit que pour un incompressible (dont le sang est assez proche d’un, donc nous y sommes bien), isentropique (donc pas d’échange de chaleur dans / hors du système, pas de pertes irréversibles … le sang n’est pas si grand ici) fluide, la pression totale est conservée:

P0=Ps+12ρV2

Voyons ce que nous aurions besoin de savoir pour appliquer cela. L’oreillette droite, RA, est essentiellement une chambre de stagnation – le sang est au repos à une pression particulière qui le fait s’écouler hors de la chambre dans le cathéter et à travers la tubulure. Nous ne savons pas quelle est cette pression, mais la pression est

P0

. Nous avons une sonde de pression à P3 qui mesure probablement la pression statique,

Ps

, nous avons donc ce nombre. Nous avons également le débit de sang, qui va avoir des unités de masse par unité de surface par seconde. Appelons le débit

F˙

. Le débit est lié à la vitesse du fluide par

V=F˙/ρ

. Cela devrait nous donner tout ce dont nous avons besoin pour déterminer la pression totale dans le VR:

PRUNE=P3+12ρF˙2ρ2=P3+12F˙2ρ


Maintenant … ce sera correct, à condition que les hypothèses que nous avons utilisées soient valides. L’hypothèse incompressible est correcte, je ne suis pas trop inquiet à ce sujet. L’hypothèse isentropique est cependant plus préoccupante. Elle peut ne pas être assez grande pour avoir de l’importance dans la pratique selon les termes impliqués, mais elle pourrait changer la réponse. Que le changement soit suffisamment important pour être important, je ne sais pas. Bref, c’est parti.

Il existe deux hypothèses pour un écoulement isentropique. Adiabatique et réversible. Adiabatique signifie que nous n’ajoutons ni ne retirons d’énergie du système. Mais dans ce cas, nous le sommes. Il y a un échange de chaleur avec l’environnement entre le tube et l’air. Je ne sais pas combien de chaleur est perdue du sang une fois qu’il est dans le tube. Nous ajoutons également de l’énergie à cause de la gravité. Celui-ci, nous pouvons l’expliquer cependant et je modifierai l’équation ci-dessous pour le faire.

Pour la réversibilité, cela signifie qu’il ne peut y avoir aucune perte dans le flux. Pas d’ondes de choc, ce qui, je pense, est bien ici, mais pas de forces visqueuses. Le sang est visqueux. En fait, c’est un fluide non newtonien , ce qui le rend plus difficile à modéliser. Heureusement, c’est un amincissement par cisaillement et donc la viscosité diminue à mesure que plus de force est appliquée. Cela peut signifier que les pertes visqueuses sont faibles, mais je ne peux tout simplement pas justifier cette affirmation.

Bon, revenons à la gravité. L’équation est modifiée:

PRUNE+ρghRUNE=P3+12ρVP32+ρghP3

hje

est la hauteur du ou des emplacements de mesure. Vous pouvez ensuite remplacer tout ce que vous savez (en vous assurant que vos unités sont cohérentes bien sûr) et trouver

P0

.


Revenons aux pertes inconnues. Nous pourrions peut-être arriver à une estimation pour eux en utilisant les informations en P3 et P4. Nous savons:

P0,P4=P4+12ρVP42+ρghP4

et nous savons aussi que:

P0,P3=P3+12ρVP32+ρghP3

On peut alors retrouver l’évolution de la pression totale entre ces deux points. Idéalement, ce serait zéro / très petit. On sait alors que l’équation de Bernoulli tiendra assez bien. Mais en réalité, ce ne sera pas zéro. Espérons que ce sera encore petit. Une fois que nous calculons la différence entre ces deux points,

ΔP0=P0,P4P0,P3

, nous pouvons trouver la quantité de perte par unité de longueur:

ΔP0Δs=ΔP0sP4sP3

s

est la coordonnée le long de l’axe du tube (pour tenir compte de sa rotation, etc. Si elle était complètement verticale et droite, ce serait juste la différence de hauteur entre les deux points).

On peut alors faire l’hypothèse que les pertes entre P4 et P3 par unité de longueur sont les mêmes que les pertes entre RV et P4 par unité de longueur. Ce n’est probablement pas vrai en réalité, car les pertes de chaleur à travers le cathéter à l’intérieur du corps seront différentes des pertes de chaleur du tube vers l’air, et les pertes visqueuses seront également différentes, mais nous n’avons pas les informations ici pour mesurer cette. Nous allons donc simplement regrouper tout cela dans un coefficient

ϵ

. Cela nous donnera l’équation finale et complète comme:

PRUNE=P3+12F˙P32ρ+ρg(hP3hRUNE)+ϵΔP0Δs(sRUNEsP4)

ϵ

va être, espérons-le, quelque chose que nous pouvons comprendre (et diable, nous pouvons concevoir des expériences pour le calculer – mais c’est une autre question), mais jusqu’à ce que vous puissiez comprendre la valeur réelle de celui-ci, nous devrons rouler en prenant

ϵ=1

pour l’instant.

Matthew Lozoya

Wow, j’apprécie votre travail jusqu’à présent, j’ai envoyé un e-mail à l’un des membres de l’équipe ecmo qui connaît mieux que moi pour revoir mes commentaires et aider à remplir les informations manquantes.

Matthew Lozoya

J’ai ajouté de nouvelles informations sur les canules et les mesures qui devraient réduire la complexité une fois que nous recevons les informations mentionnées du fabricant.

Matthew Lozoya

Le fabricant ne nous fournira donc pas d’informations après avoir parlé avec plusieurs représentants au cours des 2 dernières semaines. nous allons donc essayer de mettre en place une expérience pour comprendre cela. Il a été envisagé d’utiliser éventuellement un cœur de porc pour cette expérience ou un cœur artificiel ou même simplement un circuit fermé.

 

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