Pricipi di funzionamento di una macchina cuore-polmone

Incannulazione

Sono necessari grandi vasi sanguigni per l'incannulazione, ovvero per inserire i tubi (cannule) che porteranno il sangue dal paziente alla macchina cuore-polmone e per restituire il sangue dalla macchina cuore-polmone al paziente. 

I siti di incannulamento per l'accesso venoso possono includere la vena cava inferiore e superiore, l'atrio destro (la camera superiore del cuore), la vena femorale (nell'inguine) o la vena giugulare interna. Il sangue ricco di ossigeno verrà restituito all'aorta, all'arteria femorale o all'arteria carotide (nel collo). Rimuovendo il sangue povero di ossigeno dal lato destro del cuore e restituendo il sangue ricco di ossigeno al lato sinistro, si ottiene il bypass cuore-polmone.

Pompaggio

Pompa a rulli

La macchina cuore-polmone standard include tipicamente fino a cinque gruppi pompa. In posizione arteriosa è possibile utilizzare una pompa centrifuga o a rulli per la circolazione extracorporea del sangue. Le quattro pompe rimanenti sono pompe a rulli progettate per fornire fluido, gas e liquido per l'erogazione o la rimozione alle camere cardiache. Il ritorno ematico del ventricolo sinistro è ottenuto mediante pompa a rulli, che allontana il sangue dal cuore. L'aspirazione chirurgica creata dalla pompa a rulli rimuove il fluido accumulato dal campo chirurgico generale. La pompa di erogazione per cardioplegia viene utilizzata per erogare una soluzione ad alto contenuto di potassio ai vasi coronarici. Il potassio arresta il cuore in modo che la zona di intervento sia immobile durante le procedure chirurgiche.


È necessaria una pompa per produrre il flusso sanguigno. Attualmente, i modelli di pompe a rulli e centrifughe sono lo standard di cura. Entrambi i design moderni possono fornire un flusso sanguigno pulsatile (pulsato, come da un battito cardiaco) o non pulsatile alla circolazione sistemica.

Il gruppo del rullo ruota e impegna il tubo, in PVC o silicone, che viene quindi compresso contro l'alloggiamento della pompa, spingendo il sangue davanti alla testa del rullo. La frequenza di rotazione e il diametro interno del tubo determinano il flusso sanguigno. A causa della sua natura occlusiva, la pompa può essere utilizzata per rimuovere il sangue dalla zona operatoria creando una pressione negativa (rispetto all'atmosfera) sul lato di afflusso della testa della pompa.

La pompa centrifuga ha anche una pressione di aspirazione negativa. Come caratteristica di sicurezza, questa pompa si disinnesta quando vengono introdotte bolle d'aria. La forza centrifuga attira il sangue al centro del dispositivo. Quest'ultimo viene spinto e rilasciato nel tratto di deflusso tangente all'alloggiamento della pompa. La velocità di rotazione determina la quantità di flusso sanguigno, che viene misurata da un flussometro posizionato accanto all'alloggiamento della pompa. Se la frequenza di rotazione è troppo bassa, il sangue può fluire nella direzione sbagliata.

Conservazione del sangue

Un serbatoio raccoglie il sangue drenato dalla circolazione venosa, pertanto sarà povero di

ossigeno. I serbatoi possono essere  formati da sistemi aperti o chiusi. 

Il sistema aperto presenta una scala graduata corrispondente al volume di sangue nel contenitore. Il componente è aperto, quindi permette al sangue di interfacciarsi con i gas atmosferici. 

La conformazione chiusa, formata da una sacca pieghevole, elimina l'interazione aria-sangue, pur rimanendo esposta alla pressione atmosferica. Il volume è misurato dal peso o dalla variazione del raggio del contenitore. Il serbatoio chiuso collassa quando viene svuotato, come ulteriore caratteristica di sicurezza.

Ventilazione

Gli ossigenatori a bolle utilizzano il serbatoio per la ventilazione. 

Ossigenatore a membrana

Quando il sangue entra nel serbatoio, gli emboli gassosi vengono miscelati direttamente con il sangue: ossigeno e l'anidride carbonica vengono scambiati attraverso lo strato limite delle bolle di sangue e gas. 

Il sangue passerà quindi attraverso un filtro rivestito con una soluzione antischiuma, che aiuta a rimuovere le bolle fini. Successivamente, un tubo porta il sangue al resto della macchina cuore-polmone.

In opposizione a questa tecnica è l'ossigenatore a membrana. Il tubo trasporta il sangue povero di ossigeno dal serbatoio attraverso la pompa all'ossigenatore a membrana. L'ossigeno e l'anidride carbonica attraversano una membrana che separa il sangue dai gas di ventilazione. 

Quando il sangue lascia l'ossigenatore, è ricco di ossigeno e di colore rosso vivo.

Filtrazione 

Non appena il sangue è pronto per essere restituito dalla macchina cuore-polmone al paziente, si incontrerà il filtro della linea arteriosa. Questo dispositivo viene utilizzato per filtrare piccole bolle d'aria che potrebbero essere entrate o generate dal dispositivo. Successivamente, il tubo del filtro completa il percorso del sangue mentre restituisce il sangue alla cannula arteriosa per entrare nel corpo.

Il fluido che viene restituito dal ventricolo sinistro e l'aspirazione chirurgica richiedono la filtrazione prima che il sangue venga reintrodotto nella macchina cuore-polmone. Il sangue entra in un serbatoio filtrato, chiamato cardiotomia, che è collegato con un tubo al serbatoio venoso. Nella cardiotomia vengono aggiunti anche altri fluidi come emoderivati ​​e farmaci per la filtrazione del particolato.

Regolazione della temperatura

Durante gli interventi a cuore aperto viene raffreddato il sangue in modo tale da preservare gli organi e il corpo rallentando il metabolismo e il consumo di energia.

Gli scambiatori di calore consentono di regolare la temperatura del corpo e degli organi. Quando il sangue passa attraverso il tubo posto nello scambiatore, la temperatura varierà. Un sistema più sofisticato separa l'interfaccia sangue e acqua con una barriera metallica. Quando la temperatura dell'acqua cambia, cambia anche la temperatura del sangue, il quale entra nel corpo o nella circolazione degli organi. Una volta che la temperatura del tessuto raggiunge il livello desiderato, la temperatura dell'acqua viene mantenuta. 

Monitoraggio del paziente e della macchina

Poiché la respirazione viene controllata e un altro macchinario soddisfa la domanda metabolica del paziente, è necessario monitorare la composizione chimica del sangue. 

I sensori chimici posti lungo percorso del flusso sanguigno sono in grado di rilevare la quantità di ossigeno legato all'emoglobina. 

Altri sensori più elaborati possono monitorare costantemente il pH del sangue, la pressione parziale di ossigeno e anidride carbonica e gli elettroliti. Tutti questi dispositivi possono analizzare rapidamente le richieste metaboliche del corpo.

Anche i sensori che comunicano le pressioni del sistema sono una necessità. 

Questi trasduttori sono posizionati in aree dove la pressione è alta, ad esempio dopo la pompa. 

Le letture al di fuori degli intervalli normali spesso avvertono l'operatore di ostruzioni nel percorso del flusso sanguigno. L'allarme di alta pressione deve essere corretto rapidamente poiché l'attrezzatura della macchina cuore-polmone può disinnestarsi sotto lo stress di pressioni anormalmente elevate. 

Le letture a bassa pressione possono essere altrettanto serie, avvisando l'utente di connessioni o apparecchiature difettose. Il monitoraggio costante e gli allarmi adeguati aiutano a proteggere l'integrità del sistema.

È necessaria la scansione costante di tutti i componenti e dei dispositivi di monitoraggio. I valori normali possono cambiare rapidamente a causa di un guasto del dispositivo o di improvvise costrizioni meccaniche. La diagnosi di un problema e tecniche rapide di risoluzione dei problemi prevengono ulteriori complicazioni.

Per approfondire

Funzionamento della macchina-cuore polmone sulla Encyclopedia of Surgery.

Bibliografia

Gravelee, Glenn P., Richard F. Davis, Mark Kurusz, Joe R. Utley. Cardiopulmonary Bypass: Principles and Practice, 2nd edition. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2000.