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CateterismoDispositivi minimamente invasiviPer integrazione:capitolo 5 dell’anno 2011/2012capitolo 3 dell’anno 2011/2012 (proprietà ottiche tessuti)Thursday, December 13, 12

Cateteri diagnostici esteerable• Catetere: tubo flessibile e cavo di gomma divaria lunghezza• Le cavità interne vengono dette lumi•Diametro esterno: calibro espresso inFrench (1F = 0.33 mm)• Diametro aghi e guaine interne espressi inGauge (14 G →1.6 mm; 27 G →0.191 mm)• Inseribili in qualsiasi cavità del corpo umanoanche nel sistema cardiovascolareThursday, December 13, 12

Cateteri diagnostici esteerable• Realizzati tramite polimeri plastici ricopertidi sali bario e/o tungsteno per renderliradio-opachi (maggiormente visibile, percontrasto, ai raggi x)• Utilizzo a breve termine: poliuretano• Utilizzo a lungo termine: silicone, siottengono cateteri più flessibili e menotrombogeniciThursday, December 13, 12

Cateteri strumentati• Importanti strumenti min-invasivi a finediagnostico e/o terapeutico• monolume: unica cavità interna• multilume: più cavità interne indipendenti• vantaggio: con un unico “foro” possoeseguire più esami• Ogni lume può essere “strumentato” consensori/attuatori o può essere utilizzato periniettare o prelevare determinate sostanzeThursday, December 13, 12

Cateteri strumentati• Esempio: chirurgia vascolare minimamente invasiva• Patologia: aterosclerosi, formazione di placcheinterne ai vasi sanguigni. Al crescere delle placchediminuisce il calibro interno dei vasi e si riducel’apporto di sangue (e quindi di ossigeno) aitessuti• La riduzione del calibro o stenosi può portare adinfarto o ictus• Intervento minimamente invasivo tramite catetereper la riduzione della stenosi (angioplastica)Thursday, December 13, 12

Cateteri strumentati• Applicazioni biomediche: angioplastica, drenaggio,iniezione farmaci/sostanze, prelievo, misura (invasiva) diparametri fisiologici• Vantaggi: piccole incisioni, ridotte perdite di sangue,ridotto dolore associato all’intervento, minimaospedalizzazione con conseguente vantaggio economico• Cateteri diagnostici: monitoraggio interno allecavità corporee di pressione, saturazione ossigeno,portata cardiaca.• Cateteri terapeutici: guidabili o steerableThursday, December 13, 12

Misura di pressioneintra-vascolare• Diversamente dal metodo indiretto (ascoltatorio) èpossibile rilevare segnale pressorio istantaneo• Viene inserito il catetere nel vaso o cavità diinteresse.• Esempio: il catetere di Swann-Ganz viene utilizzatoper la mmisura della pressione delle camere cardiachedestre e viene inserito attraverso un accesso cavaledestro (giugulare interna destra o succlavia destra)• Scelte progettuali: dove metto il trasduttore?Thursday, December 13, 12

Misura di pressioneintra-vascolare• In punta del catetere• Vantaggi: maggiore affidabilità della misura, non c’è interposizione dimateriale, misura direttamente in loco.• Svantaggi: Complessità, cablaggio (e.g. lunghezza cavi),miniaturizzazione, possibile interferenza col sistema misurato(riscaldamento etc.)• Esterno: leggo la pressione attraverso un traduttore esterno alla cavitàconnesso idraulicamente al sistema vascolare tramite il lume del catetere.• Vantaggi: minore complessità di realizzazione dal punto di vistaelettrico (no cablaggi, no miniaturizzazione)• Svantaggi: misura più soggetta ad errore a causa della trasmissioneidraulica (sangue - liquido contenuto nel lume / catetere). Inparticolare ci aspettiamo delle distorsioni frequenziali che limiterannola frequenza di variazione del segnale che andiamo a misurareThursday, December 13, 12

Misura di pressione contrasduttore esterno• Un catetere viene inserito in un’arteria o in una vena. La pressione P presenteall’estremità del catetere agisce su una colonna di soluzione fisiologica; quest’ultima,essendo incomprimibile, trasmette la pressione al trasduttore esterno (diaframma)• Il diagramma, in questo caso detto trasduttore primario, è un elemento la cuideformazione dipende dalla pressione applicata• La deformazione del diaframma viene misurata tramite un sensore esterno (e.g. ottico,trasformatore differenziale, sistema a strain gage)• Vogliamo valutare gli effetti del design meccanico del sistema• La domanda a cui si vuole rispondere: in che modo un segnale istantaneo di pressioneinfluenza la conseguente deformazione del diaframma x? Idealmente vorremmox=kPThursday, December 13, 12

Misura di pressione contrasduttore esterno•Diaframma: sottile membrana tesa, la cui inflessione è misuratacon metodi capacitivi, induttivi, o attraverso l'uso di estensimetri.• Per spostamenti non superiori alla metà dello spessore, lospostamento x del centro della membrana dipende linearmentedalla pressione applicata P e vale in cm:x=23(1 −ν ) d16Et34ppxν è il rapporto di Poisson, d è il diametro, E il modulodi Young e t lo spessore. Dall'equazione si evince cheper una migliore sensibilità è preferibile che lamembrana sia molto grande nelle dimensioni, maanche molto sottile.Thursday, December 13, 12

Misura di pressione contrasduttore esterno• Parametri che influiscono: peso dellacolonna del fluido (inerzia idraulica), attritiviscosi (μ), lunghezza (L), sezione del tubo(πr 2 ), deformabilità del diaframma• Ipotesi: fluido Newtoniano, flusso laminarestazionarioThursday, December 13, 12

Misura di pressione con trasduttoreesterno• Possibile risolvere il problema attraverso un’analogia elettrica chedipende da• Resistenza idraulica (Rc) dovuta alla viscosità del fluido nelcatetere (proporzionale alla lunghezza e all’inverso della sezione)• Inerzia idraulica (Lc) dovuta alla massa del liquido nel catetere(dipende dalla densità del liquido ρ e dal volume V del catetere)• Deformabilità del sistema dovuta in gran parte al diaframma CdR c = 4µL⇡r 4L c = ⇢V⇡A 2 = ⇢L⇡r 2C d =V PThursday, December 13, 12

Misura di pressione contrasduttore esterno• Analogia fluidodinamica/elettrica: il sistema puòessere rappresentato come un circuito elettricoRLC (sistema secondo ordine)• Pi(t) → vi(t) pressione in ingresso• po(t) → vo(t) pressione in uscitaThursday, December 13, 12

Thursday, December 13, 12vi(t) = LcCd+ vo(t)costituito da cui dal si ricava circuito la serie funzione RLC, di raffigurato trasferimeiMisurada cui di si pressione ricava la funzione concircuito #rappresenta la pressione sanguigna, di trasferimdiaframma). circuito rappresenta Impostando la l’equazion pressione + R cCdtensione#misurata ai capi delvi(t) = ()LcCddiaframma). Impostando + R ! ()cCd + vo(t $% & #' ( ' + # $,)$* & l’equazionda cui $si% & ricava ' (vi(t) = ' + $, () la funzioneLcCd + R ! () di trasf)$* & )$ # #cCd + vo(tConfrontando =da " cui $ % & si ricava ' ( l’equazione ottenuta cocaratteristica + R ! ()cCd + vo(t)# dei la sistemi funzione del secondo di trasfotrasduttore=)$esterno " # = # " $ % & ' (' + $,)$* & )$# './0 ' 0' + $,)$* & )$ './0 # ' 0# $ % & ' (Confrontando l’equazione ottenutacaratteristica è possibile dei sistemi del secon)$ ricavare i parametri ω0 e ξConfrontando # l’equazione ottenutaH(s) risonanza =caratteristica e fattore di smorzame'./0 ' dei 0 sistemi del secon#è possibile #H(s) =# ricavare i parametri ω01 './0 ' 0risonanza =√3%; e ξ = 4 $5% & './0 √3%; ξ = 4 $5% & ' 0.5Fattore difattore$.5 smorzamento$ di smorzaL’uguaglianza è Sostituendo possibile ricavare le espressioni tra l’equazione i parametri 5.4, 5.65.9 e ω0 5. erisonanza∆# e fattore di smorza11 L’uguaglianza = ; ξ = 4 = 6 ∆$5% &7 ∆ ; ξ tra = 8 6 ∆7 ∆ ; ξ = 8 6 ∆7 ∆l’equazione 7 ∆ 5.9 e√3%tensione misurata ai capi del condensatordiaframma). Impostando l’equazione alla maglivi(t) = ()LcCdda cui si ricava la funzione di trasferimento nelH(s) = "= "=)$* &' + $,Confrontando l’equazione ottenuta con la genecaratteristica L’uguaglianza dei sistemi tra del l’equazione secondo ordine: 5.9 e 5.1H(s) =Frequenza dirisonanzaConfrontando l’equazione ottenuta concaratteristica dei sistemi del secondo ordH(s) =è possibile ricavare i parametri ω0 e ξ, crisonanza e fattore di smorzamentL’uguaglianza tra l’equazione 5.9 e 5.101 =Sostituendo le espressioni 5.4, 5.6 e 5.7 nè possibile ricavare i parametri ω0 e ξ, chiamatrisonanza e fattore di smorzamento, prop1 = 6 L’uguaglianza tra l’equazione 5.9 e 5.10 fornisce# 4 $ 5% &.5 $Tali equazioni sono important

( n è uguale a quello di un sistema del secondo( pendenza retta +40dB/decade)esternoG ss22n2sn1Sistema del Soluzione secondoordine: Diagramma di11G j= Bode del modulo22 2j 11 j22 2n ωn=ω0 nnnDiagramma del modulo dBG j = 2 2 20 log 1 [7] n n22so subisce • delle ω>ωn modificazioni pendenza che di -40 dipendono dB per decade da (azione del doppio polo)• ω≈ωn sovra-elongazioni in dipendenza di ζ• in particolare 2 p si ottiene n 12un sempre di valore massimo quando ζ n è uguale a quello di un sisordine con polo doppio ( pendenza retta +40dB/decade)Thursday, December 13, 12

Gjmma della fase Gj12Misura j2 di pressione con 1trasduttore2n1n = -Risposta in frequenzaarctgesternon22n= -2arctgn122nGj 1 n - arctg 0 = 0°= n2 - arctg = -90°11 n -180°22n1j2nSistema del secondoordine: diagramma diBode della faseDiagramma della fase n - arctg 0 = 0°211= n - ωn=ω0 arctg2 n -180° G j = - arctgn1nNo distorsione di faseSe ζ≈0.7 e ω

Misura di pressione contrasduttore esternoζ=0.7 risposta ottimaledal punto di vista delsettling timeωn tThursday, December 13, 12

Misura di pressione con trasduttoreesterno• Sistema del secondo ordine• Scelte progettuali legate alle distorsioni frequenziali• ω0 >> della frequenza di pulsazione cardiaca (e.g 60 battiti al minuto → 1Hz→ ω0 > 20Hz)• distorsioni ampiezza e fase minimizzate, milgior tempo di risposta per ζ = 0.7• Su quali parametri possiamo agire?• ρ, μ dipendono dal fluido (non modificabili)• r,L non modificabili per vincoli anatomici• L’unico parametro rimasto è la deformabilità del diaframma . Peraumentare la frequenza di risonanza dovrei diminuire la deformabilità deldiaframma, ma:• verificare ipotesi iniziali (deformabilità diaframma molto maggiore dellealte in gioco)• ridotta sensibilità del trasduttore• In generale è difficile avere una riproduzione fedeledell’onda pressoria• Sono comunque molto usati in ambito clinico (catetere Swann-Ganz)Thursday, December 13, 12

Misura di portata• Portata: quantità di fluido che attraversa una determinata sezionenell’unità di tempo. Portata volumetrica [m 3 /s], data da A*v dove vè componente di velocità del fluido perpendicolare alla sezione A.• Portata sanguigna è un parametro ematico di fondamentaleinteresse biomedico• Metodi diretti o indiretti•Diretti: conoscenza della velocità istantanea del flusso in unpunto del vaso e integrazione sulla sezione sapendo il profilo diflusso• Flussimetri elettromagnetici o velocimetri•Indiretti: misurano la portata mediata su un certo periodo ditempo.• Basati sulla diluizione del tracciante. Tipicamente il traccianteè la temperatura si parla dunque di diluizione termica.Thursday, December 13, 12

Termodiluizione• Iniezione di un bolo freddo di fluido nel sangueattraverso un lume del catetere strumentato• Andando a misurare la temperatura della misturasangue/fluido si risale all’entità della diluizione del fluidoche è legata alla portata sanguigna• Maggiore la portata, maggiore la diluizione, maggiorela velocità con cui la temperatura della misturatenderà a quella sanguigna• La temperatura è misurata tramite un termistore• Ipotesi: il fluido immesso non varia la portata in modosignificativo e che tra monte (dove inietto il fluido) evalle (dove misuro la temperatura) non ci sia perdita dicaloreThursday, December 13, 12

Thursday, December 13, 12Termodiluizione

Termodiluizione• Viene misurata la temperatura dellamistura Tm• Parametri• m 1, c1, T1 massa, calore specifico etemperatura del fluido• m s, cs, Ts massa, calore specifico etemperatura del sangue• Bilancio energetico: tutta l’energia ceduta dalsangue viene assorbita dal fluidomscs(Ts-Tm) =m1c1(TI -Tm)Thursday, December 13, 12

Termodiluizionem s = ⇢ s V sV s = m 1c 1 (T 1 T m )⇢ s c s (T s T m )• Tm misurata dopo un minuto dall’iniezione• Otteniamo il volume del sangue che attraversa ilvaso nell’unità di tempo• Maggiore Vs maggiore la portata• Portata ricavata secondo la formula Vs/60secThursday, December 13, 12

Termodiluizione• Tecnica alternativa: termodiluizione attraverso riscaldamentoattivo utilizzando un riscaldatore nella punta del catetere• Viene riscaldato il sangue e misurata la temperatura dopoun certo tempo• Maggiore la velocità con cui il sangue torna alla temperaturainiziale maggiore la portataThursday, December 13, 12

Velocimetro Laser Doppler a fibra ottica• Metodo diretto• Sorgente luminosa laser e ricevitore fisso rispettoal fluido in movimento nel vaso• Effetto Doppler: il sangue è indove si ha una sorgente ferma che emette luce laser ad una certa frequef0.movimento rispetto alla sorgenteluminosaThursday, December 13, 12

f1 = (1 –3) fo allontanando e quindi la frequenza apInoltre viene considerata la componentea quella della luce. A tal punto il corpusfibra emettitore ottica di luce a frequenza f1. Tale lusubirà un secondo effetto doppler essendola sorgente (corpuscolo) e quindi la frequSchematizzazione dello scVelocimetro Laser Doppler aIl segno negativo è dovuto al fatto cheallontanando e quindi la frequenza apTale luce, che viaggia con veloci• La luce a frequenza f0, che viaggia con velocità c, vienepercepita dal globulo rosso, che viaggia con velocità v, ad unapari a:frequenza minore f1 (sorgente e osservatore si allontanano)Inoltre viene considerata la componenteesempio un globulo rosso) in ma quella della luce. A tal punto il corpusfrequenza>f1 pari a:f2 = (#'f1 = (1 – ! $?,@3>v a frequenza f1.Unendo Si ricava la le velocità equazioni istantanea cioè il valore del 5.15 sangue di velocità e dallo 5.16 istantanea shift si di ottiene del saf2 = 3 !3>v. Da questasubirà un secondo effetto dopplerfrequenzela sorgente (corpuscolo) e quindi l

Saturazione di ossigeno• Un adeguato apporto di ossigeno è richiesto dai tessuti corporeiper una normale funzione corporea• Metodi di misura di tipo ottico• Saturazione di ossigeno SO2: percentuale di emoglobinaossigenata rispetto a quella totale nel sangue arterioso o venoso.• Arterie: descrive l’adeguatezza del sistema respiratorio.• indice fisiologico comunemente accettato ed utilizzato• Vene: quantità di ossigeno ceduto ai tessuti.• indice non completamente accettato perchè non è stataancora raggiunta la precisione e l’accuratezza necessarieThursday, December 13, 12

Saturazione di ossigeno• Il sangue con un’alta concentrazione di ossigeno èconvogliato dal ventricolo sinistro del cuore a tutti i tessuticorporei (sistema arterioso) e dopo aver trasferito partedel suo ossigeno ai tessuti periferici torna al lato destro delcuore (sistema venoso).• Il trasferimento di ossigeno nel sangue è svolto dallemolecole di emoglobina, accumulate negli eritrociti.SO 2 =[H b O 2 ][H b O 2 ]+H bThursday, December 13, 12

Saturazione di ossigeno• Saturazione ossigeno arterioso (SaO2) dipendedall’adeguatezza della ventilazione e della funzionerespiratoria. I valori normali sono compresi tra 95% e99%. Parametro misurato nella routine clinica tramite lapulsi-ossimetria.• Saturazione ossigeno venoso (SvO2) fornisce indicazionesull’adeguatezza del flusso locale del sangue (nei tessuti).Valori compresi tra 70%-80% (nota: la maggior partedell’emoglobina è ancora ossigenata!). Valori troppo altipossono indicare scarso flusso locale di sangue legato astati di shock o insufficienze cardiache. Parametro nonancora misurato nella routine clinica.Thursday, December 13, 12

Proprietà ottiche del sangue• Colore• Il colore di un oggetto (che non emetta luce propria)dipende sostanzialmente dalle componenti frequenziali dellaluce incidente sull’oggetto che sono assorbite da esso. Uncorpo esibisce un determinato colore perchè assorbe alcunecomponenti, mentre ne riflette o ne trasmette altre.• Le componenti della luce riflesse o trasmesse sono icosiddetti colori complementari a quelli assorbiti e sonoquelle che il nostro cervello interpreta come l’effettivocolore dell’oggetto.• Un corpo appare rosso se assorbe tutte le componentifrequenziali della luce (ossia tutti i colori) tranne il rossostesso, il quale, invece, viene riflesso. Un oggetto apparebianco o nero se, rispettivamente, riflette o assorbe tutte lelunghezze d’onda della luce incidente.Thursday, December 13, 12

Proprietà ottiche del sangue• Assorbimento• Un corpo può assorbire l’energia di un’onda elettromagnetica incidente, inquanto essa può indurre variazioni energetiche a livello molecolare o atomico.• Ad esempio, l’assorbimento di componenti infrarosse determina un aumentodell’energia cinetica delle molecole, con conseguente aumento dell’energiatermica del mezzo. L’energia assorbita può essere utilizzata dalle molecole delmezzo per operare transizioni tra livelli energetici differenti.• Pertanto, l’assorbimento si verifica in presenza di determinate interazioni trala radiazione incidente e le molecole. Ne consegue che l’assorbimento risultafortemente dipendente dalla frequenza dell’onda. In particolare, si ha che ognisostanza presenta specifici spettri di assorbimento.• L’assorbimento totale di un campione dipende dal numero di molecole in cuisono indotte transizioni energetiche. Pertanto, gli spettri di assorbimentopossono essere impiegati quantitativamente per indagini analitiche sullacomposizione di campioni incogniti, mediante l’uso di spettrofotometri.• É utile sottolineare che una qualsiasi sostanza colorata presenta nel propriospettro di assorbimento dei picchi (regioni di massimo assorbimento) nelvisibile ed in particolare in corrispondenza della frequenza del colorecomplementareThursday, December 13, 12

Proprietà ottiche del sangue• Il sangue è un tessuto fortemente diffusivo a causa dello scatteringprovocato dalle componenti cellulari (dipenderà dall’ematocrito).Il coefficiente di assorbimento dipenderà dall’ematocrito stesso.10 6 lunghezza d’onda (nm)coefficiente di assorbimento (cm 1 mol1 )10 510 410 310 2HbO 2Hb300 400 500 600 700 800 900 1000Coefficiente diestinzione molare diemoglobina eemoglobinaossigenataNota: a parità di intensità di lucetrasmessa e di mezzo, l’intensitàdella luce rilevata dipenderà inmodo inversamenteproporzionale dal numero dimolecole e alla lunghezza delcammino otticoigura 3.5: Spettri di assorbimento per emoglobina ed emoglobina ossigenataThursday, December 13, 12

Proprietà ottiche del sangue• Gli spettri di assorbimento molare Hb e HbO 2 tali siincrociano in più punti, detti isosbestici.• In generale si definisce isosbestico un puntocorrispondente ad una lunghezza d’onda specifica allaquale due (o più) specie presentano spettri diassorbimento che si incrociano.• Una coppia di sostanze può naturalmente avere più didue punti isosbestici nei propri spettri.• L’ossiemoglobina e la deossiemoglobina hanno puntiisosbestici caratteristici a 590 nm e 805 nm.Thursday, December 13, 12

Misura della saturazione di ossigeno• L’assorbanza di un globulo rosso coincidecon quella di una soluzione di emoglobina.• Questa “trasparenza” degli eritrocitipermette misurazioni dell’ossimetria delsangue, ossia del gradi di ossigenazione diesso espressa dalla percentuale diemoglobina che risulta legata all’ossigeno• Punto di partenza: maggiore è l’assorbimentoad una data frequenza maggiore è il numerodi molecole di interesse presentiThursday, December 13, 12

Misura della saturazione di ossigeno• Si sfrutta la trasmissione di luce a due diverse lunghezze d’onda(rosso e infrarosso) entrambe comprese nelle finestre ottichedella pelle (banda frequenziale in cui la pelle presenta scarsoassorbimento, ciò garantisce un’elevata profondità di penetrazionedella radiazione utilizzata per raggiungere efficacemente i globuli rossie quindi l’emoglobina)• HbO 2 e Hb presentano un diverso assorbimento dello spettro dellaluce. Questa proprietà permette una valutazione non invasiva di SO2nel sangue: nelle regioni di luce nel rosso e nel infrarosso,l'assorbimento è relativamente basso e consente di ottenere unamisurazione accurata della trasmissione della luce.• Il coefficiente di assorbimento molare dell’emoglobina èdefinito come il rapporto tra la costante di assorbimentodell’emoglobina e la concentrazione dell’emoglobina• Per una data λ SO2 arteriosa influenza il valore della costante diassorbimento del sangue sotto esame e di conseguenza latrasmissione della luce attraverso il tessuto.• L’intensità della luce rilevata dipenderà da SO2Thursday, December 13, 12

Misura della saturazione di ossigeno• Altri fattori di influenza• la dispersione (scattering) della luceche aumenta il percorso di lunghezzadella luce di un fattore non noto• la lunghezza del cammino ottico varianon solo tra gli individui, ma anche trale diverse situazioni fisiologiche per lostesso individuo• il fatto che la luce è assorbita anche dalsangue venosoThursday, December 13, 12

Pulsi-ossimetria efotoplestimografia• Definizioni• Pulsi-ossimetria: tecnica che consente lamisurazione semplice e non invasiva della saturazionearteriosa di ossigeno (SpO2), ovvero la percentuale dimolecole di ossigeno legate all’emoglobina.• Foto-plestimografia: pletismografia che si fondasullo studio della diffusione dei raggi infrarossi neitessuti, per studiarne l’irrorazione.• Pletismografia: tecnica diagnostica che permettedi registrare graficamente le variazioni di volume diun organo di una parte del corpo, indotta davariazioni del rispettivo contenuto di sangue.Thursday, December 13, 12

Pulsi-ossimetria efotoplestimografia• Definizioni• Pulsi-ossimetria e fotoplestimografiavengono misurate con la stessastrumentazione, ma:• Pulsi-ossimetria -> misura SO2• Fotoplestimografia -> contiene SO2, maanche volume sangue, allargamento vasi...Thursday, December 13, 12

Pulsi-ossimetria efotoplestimografia• ModalitàassorbimentoriflessioneThursday, December 13, 12

Pulsi-ossimetria efotoplestimografia• Principio di funzionamento•Analisi dell’assorbimento dei fotoni trasmessi da partedei vasi sanguigni nella regione di interesse• Pulsi-ossimetria: necessario isolare il contributo dellasola ossiemoglobina arteriosa o meglio della SO2arteriosa• Il segnale fotoplestimografico PPG misura ilcambiamento dell’assorbimento della luce dovutoall’incremento di volume del sangue arterioso,periodico alla pulsazione cardiaca• Come ce lo immaginiamo?Thursday, December 13, 12

La sonda PPG consiste di:- un LED, cioè di un diodo a emissione luminosa, diretto nel tessuche viene messo a contatto (tessuto del polpastrello di un ditoFotoplestimografiaesempio)PPG- un fotodetettore, che misura la luce trasmessa attraverso il tessutoIl volume di sangue aumenta nelle arterie durante la sistole eemette luce auna certa λtraduce in una diminuzione dell'intensità della luce attraverso il tessuto.segnale proporzionaleall’intensità della luce rilevataFig. 5.6E’ mostrato un segnale PPGSi rileva l’intensità della luce che attraversa il tessuto,conoscendo l’intensità di quella trasmessa(assorbimento)Thursday, December 13, 12

Pulsi-ossimetria efotoplestimografia• Principio fisico: legge di Lambert-BeerI = I 0 e ↵x•mezzo di spessore d•I0 intensità radiazione luce incidente•I1 intensità radiazione luce dopo assorbimento•α coefficiente di assorbimentoI 1 = I 0 e ↵d T = I 1I 0= e ↵dA =ln(T )=↵dTrasmittanzacresce all’aumentare di I1Assorbanzacresce al diminuire di I1Thursday, December 13, 12

Pulsi-ossimetria efotoplestimografia• Coefficiente di assorbimento↵( )=✏( )c [cm -1 ]• Concentrazione di una certa specie c [M](moli/l)• Coefficiente di estinzione molare✏( )= ↵( )c[cm -1 M -1 ]Thursday, December 13, 12

Pulsi-ossimetria efotoplestimografia• Viene trasmessa luce nel rosso o nell’infrarosso vicino:• finestra ottica della pelle• acqua ha scarso assorbimento in questo range• assorbimento del sangue principalmente dovutoall’emoglobina (quindi proporzionale componentecellulare del sangue ovvero l’ematocrito)• Intensità del segnale trasmesso è inversamenteproporzionale al volume del sangue (maggiore spessore,maggiore cammino ottico)• coefficiente di estinzione molare di Hb e HbO2 sonogeneralmente diverse eccetto che nei punti isosbeticiThursday, December 13, 12

Pulsi-ossimetria efotoplestimografia• Segnale PPG viene ottenuto dalla misura (attraverso il fotodiodo)dell’attenuazione della luce trasmessa attraverso i capillari della regionesotto indagine• L’assorbanza è alla base del segnale PPG e dipende principalmente da:• α: dipende dal mezzo e dalla lunghezza d’onda• spessore della regione di indagine d che dipende dal volume del sanguee dalla conseguente dilatazione dei vasi• I 0 intensità luce incidente ai vasi• NB: I 0 difficilmente valutabile• impossibile usare la sola equazione di Lamber-Beer per determinare lasaturazione di ossigeno (non conoscenza di I0, d e dipendenza dalsangue mezzo)Thursday, December 13, 12

Pulsi-ossimetria da segnale PPG• Eliminazione della dipendenza da I0• Il fotodiodo rileva il segnale PPG proporzionale a I1(t)• I1(t) ha una componente di baseline e una pulsatile(periodica)• Baseline variazione lenta rappresenta gli effetti dielmenti tessutali con assorbimento costante: spessore(d) e assorbanza per unità di lunghezza del mezzo (α)• Pulsatile componente periodica con variazione piùrapida: variazione lunghezza del percorso dovuta alladilatazione dei vasi (Δd) e assorbanza per unità dilunghezza del sangue arterioso (αa)Thursday, December 13, 12

Pulsi-ossimetria da segnale PPGMassimadilatazione vasiΔdSegnale PPGI0αdBaselineαaI 1 = I 0 e ↵dI 2 (t) =I 1 e ↵ a d(t) = I 0 e (↵d+↵ a d(t))massimo→ Baseline fine diastole minorafflusso di sangue, minimo Δd(t)minimo→ Fine sistole maggiore afflusso disangue, massimo Δd(t)= ΔdI 2 = I 1 e ↵ a d = I 0 e (↵d+↵ a d)Thursday, December 13, 12

Pulsi-ossimetria da segnalePPG• Eliminazione della dipendenza da I0• misura della baseline I1• misura del minimo del segnale PPG I2ln( I 2I 1)=↵ adNon dipende da I0 ma solo dal coefficientedi assorbimento e dall’aumento di spessore(percorso massimo della luce)Thursday, December 13, 12

Pulsi-ossimetria da segnale PPG• Eliminazione dal percorso della luce• misura dei picchi massimi e minimi a duelunghezze d’onda una nel rosso (R) el’altra nell’infrarosso (IR)ln( I 2)IR =1 Rln( I = ↵ a( R ) d2) ↵I a ( IR ) d = ↵ a( R )↵ a ( IR )1 IRConsiderando poi cheCoefficiente di estinzione molaredella deossiemoglobina↵ a = ✏ O SO 2 + ✏ D (1 SO 2 ) Cosa succede in unpunto isosbetico?Coefficiente di estinzione molaredella ossiemoglobinaThursday, December 13, 12

Thursday, December 13, 12Pulsi-ossimetria da segnale PPG

Pulsi-ossimetria da segnale PPG• Da R si ottieneSO 2 =• Otteniamo SO2 tramite i coefficienti ε che sonotabulati• Punto isosbetico (IR): SO2 dipende linearmente da R• Problema: diverse lunghezze d’onda diversi camminiottici, non si elimina completamente la dipendenza daΔd• minimizzata scegliendo lunghezze d’onda vicine traloro vicine tra loro✏ D ( R ) R✏ D ( IR )R(✏ O ( IR ) ✏ D ( IR )) + ✏ D ( R ) ✏ O ( R )Thursday, December 13, 12

Pulsi-ossimetria da segnale PPG• Il volume di sangue aumenta nelle arterie durante la sistole esi traduce in una diminuzione dell'intensità della luce rilevata.• Il valore massimo del segnale PPG (base line BL quando ilvolume è minimo) è proporzionale alla radiazione della lucetrasmessa attraverso il tessuto a fine della diastole, quando ilvolume di sangue dei tessuti è minimo.• NB: dipende anche dall’intensità della luceilluminante• Dal valore minimo (BL-AM) del segnale PPG e dal valoredella baseline (BL), è calcolato l’indice( -ln(BL/(BL-AM))del segnale PPG che non dipende dall'intensità dellaluce illuminante.• L’indice del punto precedente viene calcolato per duelunghezze d’onda e viene fatto il rapportoThursday, December 13, 12

Pulsi-ossimetria da segnale PPG• Come si effettua la misura?• 2 led per la trasmisisone••un solo fotodiodo riceve da entrambiIn modo alternativo a frequenze >> del periodo delbattito cardiaco• emetto nel rosso→misuro• emetto nell’infrarosso →misuro•ottengo due segnali PPG da cui fare l’analisi deimassimi e dei minimiThursday, December 13, 12

Segnale PPG• Duplice utilizzo• SO2 (elaborando opportunamente il segnale)• Fotoplestimografia transcutanea: perfusionesanguigna nel derma e nelle regioni subcutanee dellapelle• informazioni inoltre su battito e frequenza cardiacaFotopletismografoa trasmissioneThursday, December 13, 12Figura 3.6: Esempio di pulsiossimetro a trasmissione

SO2 venoso• Tecniche non ancora standardizzate eaccettate• tecnica di misura a due lunghezze d’ondacome per la saturazione arteriosa• Si misura l’assorbimento prima e dopol’applicazione della pressione tramite unbracciale (accumulo sangue venoso)Thursday, December 13, 12

Esempio: diIl catetere di Swan-Ganz”Baxter”,in uso nel nostro repartoSwann-Ganzessere misurata con il tradizionale metodo del bolo per termod• Catetere a sei vie, costruito in poliuretano , flessibile elungo circa 110 cm con un diametro di 7,5 Fr (≈2.5 mm).• Monitoraggio di:• pressioni emodinamiche• anche durante l’inserimento• la gittata cardiacacostruito in poliuretano , flessibile e lungo circa 110 cm coconcepito per essere in grado di monitorare le pressioni emodcontinua, la saturazione di ossigeno del sangue venoso mdiastolico finale. Per misurare in continuo la gittata cardiaca, ilenergia termica emessa da un filamento termico situato sul catcardiaca usando i principi della termodiluizione. In alternatLa saturazione di ossigeno del sangue venoso mistospettrofotometria di riflettanza a fibre ottiche. La quantità di lucdipende dalle quantità relative di emoglobina ossigenata e deo• la saturazione di ossigeno del sangue venoso misto• il continuo volume diastolico finale.Il catetere di Sw1. viapVtrautprcapoPvisaincastsh2. una via prossimale ( di colore blu ), che si apre a circacatetere posizionato, si situa nell’atrio destro. Questa via vienun secondo trasduttore di pressione per la determinazione deQuesta via può comunque essere utilizzata per esigenze infuanche introdotto il liquido ( in quantità e volumi noti ) per la deportata cardiaca.Thursday, December 13, 12

Esempio: catetere diSwann-Ganz• Gittata cardiaca si serve di energiatermica emessa da un filamento termicosituato sul catetere usando i principi dellatermodiluizione.• In alternativa la gittata cardiaca puòessere misurata con il tradizionalemetodo del bolo per termodiluizioneThursday, December 13, 12

Esempio: catetere diSwann-Ganz• La saturazione di ossigeno del sangue venoso misto SvO2 è misurataattraverso spettrofotometria a fibre ottiche.• La quantità riflessa dipende dalle quantità relative di emoglobinaossigenata e deossigenata nel sangue• tecnica vista per SO2•SvO2 è un indice del bilancio di ossigeno indice recoce di potenzialiproblemi• In un individuo sano il livello normale di SvO2 è compreso fra 60% e80%.• Se la SvO2 è bassa (inferiore a 60%), l'offerta di ossigeno èinsufficiente oppure è aumentata la domanda.• Se la SvO2 è alta (superiore a 80%) , la domanda di ossigeno èdiminuita oppure l'offerta è aumentata.Thursday, December 13, 12

Esempio: catetere di Swann-Ganz• 1) Via distale (colore giallo)• Si apre alla punta del catetere.•Connessa ad un trasduttore di pressione e utilizzata per valutarele pressioni delle camere cardiache destre anche durante ilposizionamento• Usata anche per il prelievo di sangue venoso misto, indispensabileper la calibrazione del sistema di controllo/acquisizione e lostudio e la determinazione dello shunt destro-sinistro.• Shunt destro-sinistro: si ha un mescolamento di sangue venoso(proveniente dalla circolazione destra e non sottoposto aossigenazione polmonare) e di sangue arterioso. Associato adiverse patologie anche gravi• si verifica quando esistono lesioni ostruttive in un punto dellacircolazione destra: stenosi della valvola tricuspide,l'ipertensione polmonare...Thursday, December 13, 12

Esempio: catetere di Swann-Ganz• 2) Via prossimale ( di colore blu )• si apre a circa 30cm dalla punta, a catetereposizionato si situa nell’atrio destro.• Questa via viene normalmente connessa a unsecondo trasduttore di pressione• Può essere utilizzata per esigenze infusionali.• Può essere introdotto il liquido per ladeterminazione della portata cardiaca (bolofreddo e termodiluizione).Thursday, December 13, 12

Esempio: catetere di Swann-Ganz• 3) via di colore rosso connessa a un palloncinodi piccole dimensioni (0.75-1.5 ml ), che si trovain prossimità della punta del catetere.• Tale via è fornita di una siringa da 2 ml dotata diuna valvola di chiusura.• La siringa viene riempita con aria ambiente econnessa alla valvola. A catetere correttamenteposizionato, questa via viene utilizzata per ladeterminazione della wedge pressure attraversoil gonfiaggio del palloncino.Thursday, December 13, 12

Esempio: catetere di Swann-Ganz• due vie elettroniche• 4) termistore che corre lungo il catetere finoalla sua estremità e che consente di rilevare latemperatura del sangue in arteria polmonare• 5) resistenza nella parte distale del catetereper creare gradienti termici• entrambi i connettori sono collegati alsistema di controllo/acquisizioneThursday, December 13, 12

Esempio: catetere di Swann-Ganz• 6) via ottica, costituita dal connettore di coloreblu rettangolare da inserire nell’appositospinotto della scatola di controllo/acquisizione• determinazione in contunuo della SvO2• “lume ossimetrico” e termina alla puntadistale. Questo lume contiene fibre ottiche chetrasmettono la luce all’arteria polmonare permisurare la saturazione di ossigeno nel sanguevenoso.Thursday, December 13, 12

hemoglobin and oxyhemoglobin absorb light differently atEsempio: catetere di Swann-GanzFigure 14the selected wavelengths, the reflected light can be analyzedto determine the percent SvO2.Figure 13Reflection spectrophotometryTwo Figure wavelengths 14.) of light were selected based on thedifferent Measuring absorption SvO2 at two characteristics wavelengths and using of calibration hemoglobin andoxyhemoglobin. One wavelength is sensitive to changes inoxygen hematocrits. saturation In critically and ill the patients other with is saturations not. These below twowavelengths are both subject to the same interferences, sowhen situations. a ratio of the readings is used to calculate SvO2, theThursday, December 13, 12Figure 13Reflection spectrophotometryTwo wavelengths of light were selected based on thedifferent absorption characteristics of hemoglobin andoxyhemoglobin. One wavelength is sensitive to changes inoxygen saturation and the other is not. These twowavelengths are both subject to the same interferences, sowhen a ratio of the readings is used to calculate SvO2, theeffects of these interferences are cancelled.The most significant interference in SvO2 measurements isusually caused by changes in hematocrit. To correct for this,the Swan-Ganz Oximetry TD System has several calibrationcurves generated at different hematocrits. Duringcalibration, the patient's hematocrit value is entered, and thesystem selects the corresponding calibration curve. (SeeCalibrato per valoridell’Ematocritocurves generated for specific hematocrit levels contribute tothe system's accuracy over a broad range of saturations and50%, this accuracy is important since clinical interventionsmay be necessary to either avoid, or reverse, life-threateningAbnormal SvO2 ValuesThe normal range for SvO2 is 60 – 80%. If the SvO2 value isnormal, then the clinician may assume that there is adequatetissue perfusion. If SvO2 falls below 60%, a decrease inoxygen delivery and/or an increase in oxygen consumptionshould be suspected. When SvO2 falls below 40%, thebody’s ability to compensate is limited, and oxygen isrelatively unavailable for use by the tissues. Table 2illustrates various clinical circumstances that can create animbalance between oxygen supply and demand.High SvO2 ↑ Oxygen delivery ↑ FIO2Low SvO2↓ Oxygen demand↓ Oxygen delivery↓ Hb↓ SaO2↓ COCalibration curves↑ Oxygen demandAbnormal SvO2HyperoxiaHypothermiaFigCalibratVaThe normal range for SvO2 isAnesthesianormal, Pharmacologic then the clinician paralysis maSepsistissue perfusion. If SvO2 fallsoxygen delivery and/or an incAnemia, hemorrhageshould be suspected. When SHypoxia, suctioningbody’s abilityHypovolemia,to compensateshockArrhythmiasrelatively unavailable for useHyperthermia, painillustrates Shivering, various seizures clinical circimbalance between oxygen su

Esempio: catetere diSwann-GanzControllo/acquisizioneSistema “Vigilance”http://www.youtube.com/watch?v=dHmvX-DC2BMhttp://www.youtube.com/watch?v=7putxZN7ij4Thursday, December 13, 12

Cateteri Steerable• Permettono il controllo attivo delposizionamento e della navigazione delcatetetere• Parte finale capitolo 5 anno 2011/2012• non in programma 2012/2013Thursday, December 13, 12