Comparação entre aspiradores de sangue combinados com tubos de silicone usados em circulação extracorpórea.

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69 _________________________________________________________________________________________________ ©Revista Ciência e Tecnologia, v.15, n.26, p.69-74, jan./jun. 2012- ISSN:1677-9649

Comparação entre aspiradores de sangue combinados com tubos de

silicone usados em circulação extracorpórea.

1

Francisco Ubaldo Vieira Junior,

2

Nilson Antunes,

3

Eduardo Tavares Costa

1

Engenheiro Mecânico e Professor do Centro Universitário Salesiano e pesquisador colaborador do Centro de Engenharia Biomédica da UNICAMP; 2 Perfusionista do Hospital de Clinicas da UNICAMP; 3 Engenheiro Elétrico e Professor titular do Departamento de Engenharia Biomédica da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da

UNICAMP. Pesquisador do Centro de Engenharia Biomédica da UNICAMP. ubaldo@ceb.unicamp.br; nilsonantunes@uol.com.br, educosta@ceb.unicamp.br

Resumo- Os dispositivos de aspiração de sangue utilizados

em Circulação Extracorpórea (CEC) causam hemólise severa. O sistema de aspiração mais comumente utilizado em CEC utiliza bomba de roletes, aspiradores rígidos e tubos responsáveis pela pressão de aspiração. O objetivo desse trabalho foi avaliar, em laboratório, fluxos e pressões no circuito usando três modelos comerciais de aspiradores de sangue em conjunto com tubos de silicone de espessuras de parede diferentes. Foram testados dois modelos de tubos de silicone, 10x1,6 e 10x2,4 mm, padronizados para o uso em CEC, em um modelo de bomba de roletes comercial. Para cada modelo de tubo foram testados três modelos comerciais de aspiradores em solução análoga ao sangue. O desenho dos aspiradores teve influência significante nos fluxos (p<0,01). Os tubos de 10,0x2,4 mm, mesmo com capacidade volumétrica menor, apresentaram fluxos maiores (p<0,01) para rotações acima de 60 RPM. Rotações na bomba de roletes acima de 60 RPM, não resultaram em respectivo aumento de fluxo de aspiração, com uso de tubos de silicone de 10x1,6 mm. Esse efeito pode causar danos desnecessários às hemácias com aspiradores totalmente submersos.

Palavras chave: Aspirador de sangue, circulação extracorpórea, bomba de roletes.

Abstract- Devices for blood aspiration used in cardiopulmonary bypass (CPB) cause severe hemolysis. The aspiration system most commonly used in CPB uses roller pumps, metallic aspirators and tubes responsible for the suction pressure. The aim of this study was to evaluate, in laboratory, flows and pressures in the CPB circuit using three commercial blood aspirators, together with silicone tubes of different wall thicknesses. We have tested two types of silicone tubes, 10x1.6, 10x2.4 mm, standardized for use in CPB, in a commercial model of rollers pump. For each type of tubes we have tested three commercial models of blood aspirators. The testes were performed with solution similar to blood (SSB) and we have measured flow and pressure. The design of the aspirator had significant influence on flows (p<0.01). Tubes of 10x2.4 mm, even with lower volume capacity than the 10x1.6 mm tubes, presented higher flow rates (p<0.01) for pump speed above 60 RPM. Speed in the roller pump above 60 RPM did not result in increased flow of aspiration with the use of silicone tubes of 10x1.6 mm. This effect can cause unnecessary damage to blood cells with aspirator totally submerged.

Key words: Blood aspirator, cardiopulmonary bypass, roller pump

I.

INTRODUÇÃO

O organismo humano é percorrido pela corrente sanguínea com a finalidade de nutrir os seus diversos tecidos e eliminar o calor gerado no metabolismo das células. Essa tarefa é executada pelo conjunto de elementos que constituem o sistema cardiovascular com a função básica de suprir as necessidades dos tecidos.

Além disso, conduz os hormônios de uma parte à outra do corpo e, de forma geral, a manutenção de um ambiente apropriado em todos os fluidos dos tecidos do organismo, garantindo as condições ótimas de sobrevivência e funcionamento das suas células (SOUZA, 2006).

O sangue é o fluido que percorre o sistema cardiovascular e transporta, entre os diversos órgãos, nutrientes, hormônios, eletrólitos, água, resíduos do metabolismo celular e diversas outras substâncias.

O sangue tem a função de regulação de pH e concenração de sais, assim como auxilia na manutenção da temperatura corporal. Mais ainda, o sangue compreende parte do sistema imunológico, protegendo o organismo contra substâncias agressoras e assegurando a coagulação na zonas de danição.

É um tecido que contém uma fase sólida, que compreende os elementos celulares que são as hemácias, os leucócitos e as plaquetas (aproximadamente 45% do volume), e uma fase líquida, o plasma (aproximadamente 55% do volume).

As hemácias, também chamadas de glóbulos vermelhos ou eritrócitos, são as células mais numerosas no sangue e sua principal função é o transporte do oxigênio dos pulmões para os tecidos e do dióxido de carbono, dos tecidos para os pulmões. Tem a forma de um disco bicôncavo, que permite alterar a sua forma na passagem pelos capilares, sem sofrer ruptura.

A massa de glóbulos vermelhos existente no sangue constitui o hematócrito que representa um índice da concentração dos glóbulos vermelhos. O hematócrito do homem normal varia de 40 a 45%, e o da mulher normal entre 38 e 42% (SOUZA, 2006).

Na circulação extracorpórea (CEC), a função de bombeamento do coração é desempenhada por uma

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bomba mecânica, denominada bomba arterial, e as funções dos pulmões são substituídas por um aparelho capaz de realizar as trocas gasosas com o sangue e tubos plásticos descartáveis interligam paciente ao sistema.

A CEC é identificada pelo organismo como um agente agressor produzindo uma série de reações e alterações no equilíbrio fisiológico (SOUZA, 2006). O contato do sangue com superfícies estranhas (circuito extracorpóreo, bombas, cânulas e outros dispositivos) e a ação mecânica de bombeamento são consideradas causas primárias de tais problemas.

O trauma mecânico sofrido pelas células do sangue implica em diminuição dos seus elementos, principalmente as hemácias e plaquetas.

A destruição das hemácias do sangue (hemólise) se caracteriza pela ruptura das membranas das células sanguíneas vermelhas, a lesão da membrana permite a liberação da hemoglobina para o plasma (HLp), constituindo a hemoglobina livre. No caso da CEC a hemólise acontece por solicitação mecânica, seja pelo efeito de trauma direto pela passagem do sangue por bombas, cânulas e aspiradores ou pela exposição a diferentes superfícies sobre diferentes velocidades.

O mecanismo pelo qual o sangue é submetido a essas forças pode comprometer a sua integridade pode ser esclarecido por conceitos da mecânica dos fluidos (BARBOSA, 1997).

Newton (1642-1727) postulou que, no movimento retilíneo de um fluido, entre planos paralelos, a tensão de cisalhamento entre duas camadas adjacentes é proporcional ao gradiente de velocidade na direção perpendicular a essas camadas, sendo a Equação 1 a Lei de Newton da viscosidade, para o escoamento unidimensional.

(1) Onde:

µ – Viscosidade dinâmica do fluido; τ − Tensão de cisalhamento u – Velocidade do fluido

Os fluidos que obedecem à Lei de Newton da viscosidade, nos quais a tensão de cisalhamento é diretamente proporcional à taxa de deformação, são denominados fluidos newtonianos. Um fluido newtoniano, água, por exemplo, é um fluido no qual a tensão possui uma dependência linear com a deformação, caso contrário, o fluido é chamado de fluido não–newtoniano. O sangue é um fluido não newtoniano e é considerado um fluido pseudoplástico (NICHOLS, 1990).

Diversas pesquisas vêm contribuindo para o entendimento dos fenômenos que o trauma pode causar as células vermelhas (MORRIS, 1965; LEVERETT, 1972, BOONSTRA, 1985).

Trabalhos experimentais (WURZINGER, 1986) estabeleceram a correlação entre o nível de tensão de

cisalhamento e o tempo de exposição da hemácia a esta tensão, conforme Equação 2.

(2) Onde:

HB – Percentagem de hemoglobina livre (hemólise);

ح – Tensão de cisalhamento [N.m-2]; t – Tempo de exposição à tensão [s].

A Equação 2 revela empiricamente a maior influência da tensão de cisalhamento em relação ao tempo de exposição na porcentagem de hemoglobina livre quando a célula é submetida ao estresse mecânico.

Por isso, um dos requisitos básicos para desenvolvimento de dispositivos usados em procedimentos envolvendo CEC é um compromisso ótimo entre tensão de cisalhamento e tempo de exposição a essa tensão.

Os aspiradores de sangue têm grande importância em cirurgias cardiovasculares envolvendo CEC. Em casos onde o sangue é descartado, poucos problemas ocorrem com a aspiração. No entanto, em bypass cardíaco o sangue aspirado retorna ao paciente e o dano durante a aspiração se torna um fator importante.

O sistema de aspiração mais comumente utilizado em CEC utiliza bomba de roletes, aspiradores rígidos e tubos responsáveis pela pressão de aspiração. Em cirurgias cardíacas os aspiradores aspiram sangue das cavidades cardíacas e o sangue que extravasa no campo operatório durante as manobras cirúrgicas. Além disso, em determinados momentos das operações, quando o coração está relaxado, é necessário fazer a descompressão de certas cavidades, geralmente o ventrículo esquerdo, para evitar distensão muscular e comprometimento da sua função.

Essa descompressão é feita por aspiração contínua do seu interior, através de aspiradores ou cânulas especiais. Uma parte do sangue circulante durante o bypass é coletada em um reservatório e retorna ao paciente.

Trabalhos experimentais relatam um total de sangue perfusionado e retornado pelo sistema de sucção cardiotômica de 8,9% (EDMUNDS, 1978). Tem sido demonstrado o alto grau de destruição das hemácias e diminuição na contagem de plaquetas (WRIGHT, 1979). O sistema de aspiração é responsável por hemólise severa e, segundo descrito por alguns autores, os danos feitos no sangue ocorrem principalmente pela interação do sangue com o ar (CLAUGUE, 1995a).

Aspiradores menos hemolíticos têm sido projetados e testados na tentativa de minimizar os danos causados pelos sistemas de aspiração convencionais (CLAUGUE, 1995b), e diferentes regimes de perfusão têm investigado os efeitos da redução da sucção cardiotômica (KOSTER, 2008). Estudos em tubos de silicone com diferentes espessuras de parede (VIEIRA JUNIOR, 2010) demonstram a influência da tensão residual nos métodos

dy

du

µ

τ

=

4 , 2 79 , 0 5

.

10 .

62 ,

3 %

HB

=

−

t

τ

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de calibração de bombas de roletes pelos métodos de velocidade de queda e calibração dinâmica.

Apesar de vários estudos envolvendo novos dispositivos para sucção cardiotômica (PIERANGELI , 2001; MUELLER, 2001 ; JEGGER, 2007), os sistemas convencionais, com uso de bombas de roletes, ainda são muito utilizados por equipes cirúrgicas em procedimentos envolvendo CEC.

Analisar e comparar aspiradores de sangue pode contribuir no entendimento e melhor escolha para aquisição e utilização desses dispositivos.

O objetivo desse trabalho é avaliar a influência sobre a pressão e o fluxo de três modelos de aspiradores de sangue e sua utilização com tubos de silicone, padronizados para o uso em CEC, de espessuras de parede diferentes.

A. Métodos

O presente trabalho foi realizado no Núcleo de Medicina e Cirurgia Experimental da Faculdade de Ciências Médicas da Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP.

Os testes foram realizados com uma bomba de roletes nova, do tipo DeBakey de 6 polegadas, constituída por dois roletes.

Foram testados três modelos de aspiradores comerciais, específicos para uso em cirurgias em adultos. O aspirador 1 (A#1) com aproximadamente cinco anos de uso encontrava-se em perfeitas condições. Os aspiradores 2 e 3 (A#2 e A#3) eram novos e sem uso em procedimentos cirúrgicos.

A Figura 1 ilustra as dimensões dos aspiradores testados e na Tabela 1 estão listadas suas características e dimensões principais.

Figura 1 – Ilustração das dimensões principais dos aspiradores testados.

Tabela 1 – Dimensões e características principais dos aspiradores testados.

Descrição A#1 A#2 A#3

Número de orifícios 41 34 49

Diâmetro externo (mm) 6,3 6,5 6,3 Diâmetro interno (mm) 3,0 3,7 3,0 Comprimento de aspiração (mm) 33 32 34 Comprimento total (mm) 80 275 290 Diâmetro interno do prolongamento

(mm)

5,0 3,7 3,0

Um sistema de aquisição de dados modelo PCI-9112 (Adlink, Chungho, Taiwan), foi utilizado em conjunto com um sensor de pressão (Ashcroft Willy Instrumentos de Medição) e um sensor de fluxo (Transonic Mod.

T206), ambos calibrados. Foi desenvolvido um programa para aquisição, leitura e arquivamento de dados.

Foram testados tubos de silicone comerciais de dois fabricantes, para o uso específico em CEC, com diâmetros externos e espessuras de parede de 10 x 1,6 e 10 x 2,4 mm (3/8 x 1/16 e 3/8 x 3/32 polegadas).

A Figura 2 ilustra o setup experimental utilizado nos testes.

Figura 2 – Ilustração do conjunto de equipamentos usados para medir os fluxos e pressões nos aspiradores.

Os testes foram realizados com solução análoga ao sangue (SAS). Essa solução foi elaborada para simular as condições do sangue em procedimentos cirúrgicos com hematócrito entre 25% e 30% a 25°C.

A solução foi obtida com a mistura de 33% de glicerina (em massa), 33% de álcool etílico a 95% (em massa) e 33% de água destilada (em massa). Essa mistura resultou em uma viscosidade cinemática ν = 2,4.10-6 (m2/s) e massa específica ρ=1010 (kg/m3) a 25°C (VIEIRA JUNIOR, 2009).

Os testes foram realizados com aspirador totalmente submerso em SAS, 10mm abaixo do comprimento de aspiração. O nível do reservatório foi mantido a 600 mm do centro da bomba de roletes.

Os valores dos fluxos (Fm) e pressões (Pm) utilizados neste estudo foram os valores médios obtidos a partir da indicação do medidor de fluxo e os valores de pressão foram obtidos por um programa desenvolvido para calcular seu valor médio.

Os ensaios com fluido análogo foram realizados com temperatura de 25 ± 0,5°C e temperatura ambiente de 25 ± 2°C. Em todos os experimentos a bomba foi ajustada com oclusão total, obtido ajustando os dois roletes até que a velocidade de queda medida fosse nula com uma coluna de 1300mm de altura com solução fisiológica. Cada teste com cada aspirador foi realizado com tubo novo que era descartado após o uso.

Os valores de fluxo médio e pressão média foram registrados variando a rotação até 160 RPM, com passos de 10 RPM (n = 16).

B. Resultados

Nas Figuras 3a e 3b são mostrados os valores de fluxos médios (Fm) em função da rotação para os três

modelos de aspiradores, usando-se tubos de 10x1,6 mm e 10x2,4 mm.

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Figura 3a – Gráfico do fluxo médio em função da rotação com tubos de 10x1,6 mm (esquerda) e 10x2,4 mm (direita).

Figura 3b – Gráfico do fluxo médio em função da rotação com tubos de 10x2,4 mm.

As Figuras 4a 4b expressam os valores das pressões médias (Pm) em função da rotação, registrados

simultaneamente aos fluxos da Figura 4.

Figura 4a – Gráfico das pressões médias em função da rotação usando tubos de 10x1,6 mm .

Figura 4b – Gráfico das pressões médias em função da rotação usando tubos de 10x2,4 mm.

As Figuras 5a e 5b registram os resultados do fluxo unitário (Fu) em função da rotação para os aspiradores

A#1 e A#3 com os tubos 10x1,6 e 10x2,4 mm.

O fluxo unitário foi calculado como a divisão do fluxo pela respectiva rotação com unidade ml/rot. O aspirador A#2 não foi mostrado devido à igualdade com o aspirador A#1 (com o uso dos dois tipos de tubos) nos fluxos (p > 0,34) e pressões (p > 0,16). O resultado foi obtido por análise de covariância (ANCOVA).

Figura 5a – Gráficos dos fluxos unitários em função da rotação com tubos de 10x1,6 e 10x2,4 mm de diâmetro associado ao

aspirador A#1.

Figura 5b – Gráficos dos fluxos unitários em função da rotação com tubos de 10x1,6 e 10x2,4 mm de diâmetro associado ao

aspirador A#3.

A Tabela 2 mostra os valores registrados do fluxo e pressão em função da rotação com o uso de tubos de 10x1,6 e 10x2,4 mm para os aspiradores A#1, A#2 e A#3.

Tabela 2 – Valores do fluxo (l/min) e pressão (mmHg) em função da rotação com o uso de tubos de 10x1,6 e 10x2,4 mm para os

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Fluxo (l/min) RPM

10x1,6 mm 10x2.4 mm

A#1 A#2 A#3 A#1 A#2 A#3

10 0,29 0,29 0,28 0,21 0,21 0,22 20 0,55 0,53 0,46 0,41 0,40 0,39 30 0,75 0,74 0,54 0,59 0,58 0,57 40 0,88 0,86 0,57 0,77 0,77 0,72 50 0,95 0,93 0,58 0,94 0,93 0,84 60 1,00 0,97 0,59 1,11 1,09 0,92 70 1,02 0,99 0,60 1,26 1,22 0,96 80 1,04 1,01 0,60 1,39 1,35 0,98 90 1,05 1,02 0,60 1,52 1,46 0,99 100 1,06 1,02 0,61 1,62 1,55 1,00 110 1,07 1,02 0,62 1,69 1,61 0,99 120 1,07 1,03 0,62 1,75 1,64 0,99 130 1,07 1,03 0,63 1,79 1,69 0,99 140 1,08 1,04 0,64 1,81 1,71 1,00 150 1,09 1,04 0,64 1,83 1,73 1,00 160 1,10 1,04 0,65 1,84 1,74 1,01 Pressão (mmHg) RPM 10x1,6 mm 10x2,4 mm

A#1 A#2 A#3 A#1 A#2 A#3

10 -9,2 -13,4 -41,4 -6,0 -7,5 -28,3 20 -23,5 -30,8 -85,6 -14,3 -17,9 -67,1 30 -39,8 -47,6 -106,5 -27,1 -32,6 -115,8 40 -54,2 -60,3 -115,2 -42,1 -48,6 -165,0 50 -59,5 -68,0 -119,5 -57,7 -66,1 -211,6 60 -64,0 -72,4 -122,0 -74,9 -85,1 -246,1 70 -66,3 -73,9 -122,6 -93,4 -102,4 -262,6 80 -68,3 -73,9 -123,3 -113,6 -121,1 -272,9 90 -70,1 -75,0 -124,3 -130,1 -139,0 -278,4 100 -71,3 -75,2 -125,7 -145,0 -153,9 -279,8 110 -71,1 -75,4 -128,0 -156,0 -163,3 -279,6 120 -72,1 -76,2 -132,3 -165,1 -170,8 -279,8 130 -71,9 -76,5 -134,8 -171,7 -170,4 -280,7 140 -72,6 -77,6 -136,2 -175,5 -174,1 -281,7 150 -72,6 -78,0 -139,8 -179,1 -177,6 -282,8 160 -73,5 -79,1 -142,9 -181,8 -185,7 -284,6 C. Discussão

O sistema de aspiração de sangue é a maior causa de hemólise em pacientes durante a circulação extracorpórea.

O trauma causado às células vermelhas do sangue por bombas de roletes pode ocorrer por diversos fatores.

Dentre eles, e de particular interesse são as tensões de cisalhamento provocadas pelas diferenças de pressão e pela ação mecânica dos roletes.

As Figuras 3a e 3b mostram as variações de fluxos em função da rotação. O aspirador A#3 apresentou o menor fluxo, devido ao menor diâmetro interno e comprimento do prolongamento, comparado com os demais modelos.

Os tubos de 10x1,6 mm de diâmetro tiveram os fluxos estabilizados com rotações a partir de 60 RPM. As variações nos fluxos para rotações entre 60 e 160 RPM foram de 0,10, 0,07 e 0,06 l/min para os aspiradores A#1, A#2 e A#3 respectivamente. Esse fato mostra que não há aumento significativo de aspiração a partir de 60 RPM.Os fluxos medidos em tubos de 10x2,4 mm de diâmetro (Figura 3b), foram significantemente maiores.

A maior espessura de parede promoveu maiores forças de sucção. Nestas condições, somente o aspirador 3 teve seu fluxo estabilizado, mostrando variações de fluxo de 0,05 l/min para rotações entre 70 e 160 RPM. Os aspiradores A#1 e A#2 apresentaram variações muito altas nos fluxos para as mesmas condições de rotação.

Os fluxos medidos com tubos de 10x2,4 mm de diâmetro tiveram suas pressões significantemente maiores (Figura 4b). Isso implica em maiores tensões de cisalhamento aplicadas nas células vermelhas do sangue durante a CEC (WRIGHT, 1979).

O fato dos tubos com diâmetro de 10x1,6 mm comportarem maior volume no seu interior não foi suficiente para manter maior fluxo. Os tubos de 10x2,4 mm tiveram os fluxos maiores a partir de 50 RPM com aspirador A#1e 30 RPM com aspirador A#3 (Figura 5a e 5b).

Um dos pontos relevantes é que com o uso de tubos de espessura menores os fluxos nos aspiradores foram limitados a partir de rotações de 60 RPM, mas ocorreram menores diferenças de pressão nos aspiradores. Já com os tubos de maior espessura de parede não houve grande limitação nos fluxos em função da rotação, mas houve grandes diferenças de pressão.

Os efeitos do trauma no sangue, principalmente a hemólise podem ocorrer nas duas situações acima descritas. A primeira pelo excesso de rotação possibilitando trauma mecânico acentuado provocado por uma maior rotação sem respectivo aumento de fluxo. O segundo caso são as elevadas diferenças de pressão proporcionadas por uma espessura de parede maior, o que acarreta tensões de cisalhamento mais acentuadas.

Os testes foram conduzidos com total oclusão para a observação pura dos efeitos da espessura de parede. O diâmetro interno e o comprimento do prolongamento dos aspiradores mostraram forte influência nos resultados.

O aspirador A#3 com diâmetro interno de 3 mm e comprimento de 290 mm, apresentou menores valores de fluxo e maiores valores de pressão. O aspirador A#2 com comprimento total de 275 mm e diâmetro interno de 3,7 mm mostrou resultados melhores que o aspirador A#3 quanto ao fluxo e pressão (Tabela 2). A pequena

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diferença entre os diâmetros (0,7 mm) foi a principal causa das diferenças, apesar da diferença de 15 mm no comprimento influenciar na perda de pressão. A perda de pressão é influenciada pelo quadrado do diâmetro e linear com o comprimento, portanto a variação no diâmetro foi mais representativa do que a variação do comprimento.

Concluindo, o desenho dos aspiradores testados teve influência significante nos fluxos (p<0,01), quando totalmente submersos em solução análoga ao sangue.

Os tubos com diâmetro de 10x2,4 mm mostraram fluxos maiores (p < 0,01) para rotações acima de 60 RPM, e pressões maiores (p < 0,01) que os tubos com diâmetro interno de 10x1,6 mm, nos três modelos de aspirador testados.

Rotações superiores a 60 RPM, com uso de tubos de silicone com diâmetro de 10x1,6 mm, não aumentaram significativamente o fluxo de aspiração e podem causar danos desnecessários às hemácias com aspiradores totalmente submersos. Sugere-se fortemente que esta combinação de tubo de silicone e rotação não seja utilizada.

O diâmetro interno dos aspiradores teve forte influência nos fluxos e pressões. Sugere-se que o diâmetro interno e diâmetro interno do prolongamento dos aspiradores sejam superiores a 4mm.

Estudos complementares deveriam ser realizados envolvendo a interface ar-sangue.

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