Analýza proudového pole v cévním přístupu

Abstract

Cévní přístup je pro hemodialyzované pacienty životně důležitý. Jeho životnost je ovlivněna mnoha hemodynamickými faktory, jako je tlak, průtokový režim, smykové napětí na stěně. Během hemodialýzy dochází ke změnám hemodynamických parametrů v důsledku průtoku z jehel zavedených do cévního systému. Především dochází ke změně smykového napětí, které ovlivňuje cévní stěnu. Jsou známy patologické účinky vysokého nebo nízkého tečného napětí na stěně (WSS). Vliv proudu z žilní jehly na hemodynamické parametry byl studován, ale vliv arteriální jehly na hemodynamické parametry není dostatečně prozkoumán. Proto je tato studie zaměřena na experimentální zkoumání oblasti cévního přístupu v místě arteriální jehly. Na začátku studie je stanovena teorie o reverzním toku krve během sání arteriální jehlou. Studii lze pak rozdělit na experiment in vivo a experimenty in vitro. Experiment in vivo byl proveden na skupině náhodných pacientů pomocí dopplerovské ultrasonografie během hemodialýzy pro vizualizaci reverzního toku v okolí arteriální jehly. Vizualizace in vivo experimentu poskytla potvrzení existence zpětného toku krve v okolí arteriální jehly. Následně je ve studii stanoven teoretický tvar objemového pulzu vznikající díky principu práce peristaltického čerpadla. Pro ověření správnosti stanoveného pulzu peristaltického čerpadla byl sestaven experiment. Pomocí dat z ověřovacího experimentu byla potvrzena správnost teoretického objemového pulzu. Znalost objemového pulzu peristaltického čerpadla umožnil sestavit experimentální simulaci cévního přístupu včetně hemodialyzačního extrakorporálního okruhu, kde bylo možné měřit rychlostní pole v dané oblasti cévního přístupu. Rychlostní pole bylo měřeno metodou stereo Particle Image Velocimetry (stereo PIV). Byly studovány dva režimy. V prvním režimu byla tekutina v mimotělním okruhu čerpána peristaltickým čerpadlem. Ve druhém režimu bylo v mimotělním okruhu použito kontinuální čerpadlo. Podmínky byly nastaveny tak, aby se podobaly podmínkám v cévním přístupu během hemodialýzy. Získaná rychlostní pole pro oba režimy byla zpracována a bylo dopočítáno tečné napětí na stěně cévy a tečné napětí v proudu krve. Rozborem tečných napětí na stěně bylo potvrzeno, že v dané oblasti dochází k negativním vlivům na cévní stěny vlivem práce peristaltického čerpadla, které může vést k poškození cévního přístupu. Rozbor dále ukázal, že při použití kontinuálního čerpadla k těmto negativním vlivům nedochází. Z experimentálních dat bylo dále určeno, že se v proudu krve nacházejí vysoká tečná napětí, která mohou negativně ovlivňovat červené krvinky a tím zvyšovat riziko hemolýzy. Na závěr studie jsou uvedeny příklady, kterými lze zmírnit výše uvedené negativní dopady.

Vascular access is vital for haemodialysis patients. Its longevity is affected by many hemodynamic factors such as pressure, flow regime, wall shear stress. During haemodialysis, changes in haemodynamic parameters occur due to flow from needles inserted into the vascular system. In particular, there is a change in shear stress, which affects the vascular wall. The pathological effects of high or low wall shear stress (WSS) are known. The effect of the venous needle current on hemodynamic parameters has been studied, but the effect of the arterial needle on hemodynamic parameters is not sufficiently investigated. Therefore, this study focuses on the experimental investigation of the vascular access area at the arterial needle site. At the beginning of the study, the theory of reverse blood flow during arterial needle suction is established. The study can then be divided into in vivo and in vitro experiments. The in vivo experiment was performed on a group of random patients using Doppler ultrasonography during hemodialysis to visualize the reverse flow around the arterial needle. Visualization of the in vivo experiment provided confirmation of the existence of reverse blood flow around the arterial needle. Subsequently, the study established the theoretical shape of the volume pulse generated due to the principle of the peristaltic pump. To verify the correctness of the determined pulse of the peristaltic pump, an experiment was set up. Using the data from the verification experiment, the correctness of the theoretical volumetric pulse was confirmed. The knowledge of the volumetric peristaltic pump pulse allowed the construction of an experimental simulation of vascular access including a hemodialysis extracorporeal circuit, where the velocity field in a given vascular access area could be measured. The velocity field was measured by stereo Particle Image Velocimetry (stereo PIV). Two modes were studied. In the first mode, the fluid in the extracorporeal circuit was pumped by a peristaltic pump. In the second mode, a continuous pump was used in the extracorporeal circuit. The conditions were set to resemble those in the vascular access during hemodialysis. The velocity fields obtained for both modes were processed and the shear stress on the vessel wall and the shear stress in the blood stream were calculated. By analyzing the shear stresses on the wall, it was confirmed that there are negative effects on the vessel wall in the area due to the work of the peristaltic pump, which can lead to damage to the vascular access. The analysis further showed that these negative effects do not occur when using a continuous pump. It was further determined from the experimental data that there are high shear stress in the blood stream that can negatively affect red blood cells, thereby increasing the risk of hemolysis. At the end of the study, examples are given to mitigate the above negative effects.