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Extracorporeal Life Suport (ECLS) for Adult Respiratory Failure Dr. Alberto Díaz Seminario Médico Intensivista Hospital Nacional Edgardo Rebagliati UCI.

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1 Extracorporeal Life Suport (ECLS) for Adult Respiratory Failure Dr. Alberto Díaz Seminario Médico Intensivista Hospital Nacional Edgardo Rebagliati UCI 2° C – – ESSALUD

2 Evolución del ECLS La tecnología de soporte extracorpóreo se desarrolló en el campo de la cirugía cardiaca hacia finales de la década del 40. Gibbon y col. Sistema de soporte Cardiovascular durante cirugía cardiaca: Bomba con rodillos: perfusión Cilindro verticalmente montado sobre el flujo sanguineo: intercambiador de CO2 y O2 entre una fina capa de sangre y el aire ambiental (1937 Arch Surg 34: 1105)

3 Evolución del ECLS El intercambio gaseoso a través de oxigenadores de burbuja o de membrana permite el soporte cardiopulmonar total por algunas horas La producción de hemólisis debido al contacto directo entre la sangre y la fase gaseosa constituye el mayor factor limitante del tiempo de exposición Busqueda del mejor oxigenador: De burbujas De disco De membrana De fibra hueca

4 Evolución del ECLS Década del 60, la investigación en oxigenación extracorpórea con oxigenador de membrana (ECMO) se dedicó a desarrollar varios oxigenadores de membrana que permitieran la mejor interface en términos de intercambio gaseoso y biocompatibilidad. Separación de las faces hemática y gaseosa por un oxigenador de membrana Disminuye el daño de los componentes de la sangre Permite un tiempo más prolongado de perfusión. La aplicación del soporte extracorpóreo se extendió a la asistencia prolongada de pacientes con insuficiencia respiratoria aguda.

5 Evolución del ECLS 1972: Hill y col. Primer éxito en un adulto con soporte Extracorporeo prolongado (75 horas). Politraumatizado de 24 años IRA postoperatoria de reparación de aorta N Engl J Med 1972; 286: : Barlett. Preimer éxito en RN con SDRN 1979: Zapol y col. Multicéntrico avalado por NIH (ECMO vs. VM convencional en Insuficiencia Respiratoria). JAMA 1979; 242: 2193 Mortalidad de 90% en ambos grupos Se abandono el uso de ECMO para falla respiratoria

6 Evolución del ECLS 1986: Gattinoni y col. Técnica de perfusión extracorporea con criterios de inclusión similares a los de Zapol. Umbral de entrada con mortalidad predecible del 80% Bajo flujo Acceso vascular percutáneo Eliminación aumentada de CO2 (ECCO2R) Supervivencia 48.8% Se retoma uso de ECLS para falla respiratoria JAMA 1986; 256: 881

7 Extracorporeal Life Support Organization 1989 se formó The Extracorporeal Life Support Organization (ELSO) Grupo de centros que utilizan en forma activa el soporte vital extracorpóreo (ECLS) en el manejo de la falla cardiopulmonar. Dentro de las funciones del ELSO se encuentran: aumentar la comunicación desarrollar guías para soporte extracorpóreo mantener un registro de los casos de ECLS

8 Terminologia ECMO ECCO 2 R VV-ECMO VA-ECMO PECO 2 R ECLS

9 Terminologia ECMO: Oxigenación extracorpórea con oxigenador de membrana se refiere al empleo de un bypass de alto flujo que destaca los aspectos de la oxigenación durante el soporte extracorpóreo. VA-ECMO: El bypass es veno-arterial VV-ECMO: El bypass es veno-venoso

10 Terminologia ECMO: Oxigenación extracorpórea con oxigenador de membrana se refiere al empleo de un bypass de alto flujo que destaca los aspectos de la oxigenación durante el soporte extracorpóreo. VA-ECMO: El bypass es veno-arterial VV-ECMO: El bypass es veno-venoso ECCO 2 R : Remoción extracorpórea de CO2. Empleo de un bypass veno- venoso de bajo flujo, que utiliza el 20-30% del volumen minuto cardíaco, requerido para remover totalmente el CO2 producido. PECCO 2 R: Si se realiza sólo una remoción parcial del CO2, como ocurre en pacientes que respiran espontáneamente con enfermedades pulmonares crónicas,

11 Terminologia ECMO: Oxigenación extracorpórea con oxigenador de membrana se refiere al empleo de un bypass de alto flujo que destaca los aspectos de la oxigenación durante el soporte extracorpóreo. VA-ECMO: El bypass es veno-arterial VV-ECMO: El bypass es veno-venoso ECCO 2 R : Remoción extracorpórea de CO2. Empleo de un bypass veno- venoso de bajo flujo, que utiliza el 20-30% del volumen minuto cardíaco, requerido para remover totalmente el CO2 producido. PECCO 2 R: Si se realiza sólo una remoción parcial del CO2, como ocurre en pacientes que respiran espontáneamente con enfermedades pulmonares crónicas, ECLS: Tratando de uniformar la terminología, Bartlett acuñó el término soporte vital extracorpóreo, que incluye todas las técnicas que utilizan un pulmón artificial para soportara pacientes con insuficiencia respiratoria o cardiaca

12 Fisiología de la oxigenación por membrana extracorporea Objetivo: transporte adecuado de oxígeno a los tejidos. ECMO garantiza, el contenido de oxígeno en la sangre al poder saturarse la hemoglobina extracorporalmente y no depender de la función pulmonar primitiva del paciente. La cantidad de sangre oxigenada que el ECMO envía al torrente sanguíneo asegura el transporte de oxígeno Ambas variables del transporte de oxígeno se aseguran en ECMO de forma independiente. Éste depende en circunstancias normales de un adecuado contenido de oxígeno en la sangre y de un gasto cardiaco suficiente. La capacidad de transportar oxígeno por la sangre es función de la concentración de la hemoglobina y de su saturación de oxígeno, no teniendo apenas trascendencia la cantidad de oxígeno disuelto en la sangre (PaO 2 ). El lavado de CO2 se realiza también extracorporalmente y es función de la relación ventilación- perfusión del oxigenador, de tal manera que puede también regularse independientemente y mantener el pulmón del paciente en apnea o ventilación mínima para reducir injuria pulmonar

13 Fisiología de la oxigenación por membrana extracorporea En ECMO, a diferencia de la circulación extracorpórea, se mantiene la fisiología normal del paciente en normotermia, con un consumo de oxígeno normal. El asegurar el consumo de O2 es el objetivo durante el manejo del ECMO. Varias son las variables que indican de manera indirecta este adecuado consumo de O2. La medición continua de la saturación en la línea de retorno venoso del paciente es una forma indirecta de conocer la saturación venosa mixta y, por lo tanto, de conocer el porcentaje de extracción periférica de O 2. En condiciones normales, el transporte de O 2 es superior al necesario para asegurar el consumo celular de oxígeno y puede descender sin que el consumo se encuentre limitado.

14 Fisiología de la oxigenación por membrana extracorporea El mantenimiento de un flujo suficiente de sangre oxigenada con ECMO garantiza el transporte de O2 cuando el paciente es incapaz de realizarlo, y el marcador de que este flujo de sangre oxigenada desde ECMO es suficiente es una saturación de O2 en el retorno venoso superior al 75%. En situaciones de gasto cardiaco elevado como shock séptico es necesario mantener flujos mayores con saturaciones venosas superiores en ocasiones al 80%. En pacientes con cardiopatías con mezcla interauricular o corazón univentricular, este marcador no es tan adecuado ya que la contaminación de sangre que procede del retorno de las venas pulmonares interfiere con la interpretación de la saturación venosa. Canulación V-A

15 Fisiología de la oxigenación por membrana extracorporea ECMO veno-venoso: objetivo es sustituir la función respiratoria. Debido a la alta capacidad de eliminar CO2 por el ECMO, el paciente puede quedar en apnea durante el tiempo de ECMO veno- venoso. Al entregarse la sangre oxigenada al territorio sistémico venoso, la saturación del paciente en ECMO veno-venoso con incapacidad de oxigenar por su pulmón primitivo es en general próxima al 85-88%, suficiente para garantizar un adecuado transporte de O2. Según la función del pulmón primitivo va mejorando, la saturación arterial de oxígeno del paciente va aumentando, siendo éste el marcador, junto con el incremento del CO2 espirado en la vía aérea, de la mejoría respiratoria.

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17 Metodología Cualquiera que sea la técnica utilizada, un circuito de asistencia extracorpórea incluye: El acceso vascular utilizado: venoarterial (VA) o venovenoso (VV). En caso de requerirse exclusivamente soporte respiratorio, se prefiere el acceso VV Si se requiere un soporte hemodinámico, se recurre a un acceso VA La cantidad de flujo sanguíneo extracorpóreo (ECBF) en relación con el volumen minuto cardíaco (CO). Cuanto mayor sea la relación ECBF/CO mayor será la contribución del sistema extracorpóreo a la oxigenación. El manejo ventilatorio asociado del paciente

18 Metodologia actual más empleada En la actualidad se tienden a utilizar sistemas con bypass venovenoso de bajo flujo La sangre venosa es drenada desde la vena cava inferior a través de catéteres insertados por vía percutanea a nivel de las venas femorales. La sangre oxigenada es retornada a la vena cava superior a través de un catéter que se avanza por vía percutanea a través de la vena yugular interna hasta la vena cava superior. Se establece un bypass venovenoso femoral-yugular utilizando bombas de circulación y oxigenadores en línea.

19 RESULTADOS ¿ Es el ECLS mejor que el tratamiento convencional ?

20 Pacientes ECMO blood gas criteria Established by the ECMO trial. ECMO blood gas criteria included the following: 1. PaO, 50 mm Hg for at least 2 hours at an inspired oxygen fraction (Flo,) of 1.0 and positive end-expiratory pressure (PEEP) of 5 cm H,O (fast entry criteria), or 2. PaO, 50 mm Hg for at least 12 hours at an Flo, 0.6 and PEEP 5 cm H,O after 48 hours of ICU care with attention to all correctable problems (slow entry criteria).

21 1979 Extracorporeal membrane oxygenation in severe acute respiratory failure. A randomized prospective study JAMA, Vol. 242 No. 20, November 16, 1979 W. M. Zapol, M. T. Snider, J. D. Hill, R. J. Fallat, R. H. Bartlett, L. H. Edmunds, A. H. Morris, E. C. Peirce 2nd, A. N. Thomas, H. J. Proctor, P. A. Drinker, P. C. Pratt, A. Bagniewski and R. G. Miller Jr

22 Nine medical centers collaborated in a prospective randomized study to evaluate prolonged extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) as a therapy for severe acute respiratory failure (ARF). Ninety adult patients were selected by common criteria of arterial hypoxemia and treated with either conventional mechanical ventilation (48 patients) or mechanical ventilation supplemented with partial venoarterial bypass (42 patients). Four patients in each group survived. We conclude that ECMO can support respiratory gas exchange but did not increase the probability of long-term survival in patients with severe ARF Extracorporeal membrane oxygenation in severe acute respiratory failure. A randomized prospective study The majority of patients suffered acute bacterial or viral pneumonia (57%). All nine patients with pulmonary embolism and six patients with posttraumatic acute respiratory failure died. The majority of patients died of progressive reduction of transpulmonary gas exchange and decreased compliance due to diffuse pulmonary inflammation, necrosis, and fibrosis. We conclude that ECMO can support respiratory gas exchange but did not increase the probability of long-term survival in patients with severe ARF

23 Extracorporeal membrane oxygenation in severe acute respiratory failure. A randomized prospective study Multicentrico: 11 Avalado por NIH ECMO vs. VM convencional en SDRA Técnica: By-pass veno-arterial 300 pacientes IRA 48 pacientes VM CONVENCIONAL 42 pacientes VM + By-pass VA(ECMO) pacientes IRA severa (ARDS) 4 pacientes Supervivientes :

24 Low-frequency positive-pressure ventilation with extracorporeal CO2 removal in severe acute respiratory failure Vol. 256 No. 7, August 15, 1986 L. Gattinoni, A. Pesenti, D. Mascheroni, R. Marcolin, R. Fumagalli, F. Rossi, G. Iapichino, G. Romagnoli, L. Uziel, A. Agostoni and al. et 1986

25 Low-frequency positive-pressure ventilation with extracorporeal CO2 removal in severe acute respiratory failure 43 patients were entered in an uncontrolled study designed to evaluate extracorporeal membrane lung support in severe ARF of parenchymal origin. Most of the metabolic carbon dioxide production was cleared through a low-flow venovenous bypass. To avoid lung injury from conventional mechanical ventilation, the lungs were kept "at rest" (three to five breaths per minute) at a low peak airway pressure of 35 to 45 cm H2O. The entry criteria were based on gas exchange under standard ventilatory conditions (expected mortality rate > 90%). Lung function improved in 31 patients (72.8%), and 21 patients (48.8%) eventually survived. The mean time on bypass for the survivors was 5.4 +/- 3.5 days. Improvement in lung function, when present, always occurred within 48 hours. Blood loss averaged /- 850 mL/d. No major technical accidents occurred in more than 8000 hours of perfusion. Extracorporeal carbon dioxide removal with low-frequency ventilation proved a safe technique, and we suggest it as a valuable tool and an alternative to treating severe acute respiratory failure by conventional means.

26 Low-frequency positive-pressure ventilation with extracorporeal CO2 removal in severe acute respiratory failure Estudio no controlado Técnica: perfusión extracorporea de bajo flujo con acceso vascular percutáneo Eliminación aumentada de dióxido de carbono (ECCO2) Umbral de entrada: mortalidad predecible mayor de 90% 43 pacientesECMO V-V + VM: FR: 3-5 PP: SUPERVIVIENTES: 21 PACIENTES 48.8%

27 VV-ECMO 100 adultos Supervivencia : 54 %

28 Representación grafica del efecto de la VM pre ECLS y la edad sobre la probabilidad de supervivencia

29 Extracorporeal Life Support The University of Michigan Experience 2000;283: Robert H. Bartlett, MD; Dietrich W. Roloff, MD; Joseph R. Custer, MD; John G. Younger, MD; Ronald B. Hirschl, MD

30 Extracorporeal Life Support The University of Michigan Experience The University of Michigan experience with extracorporeal life support (ECLS) 1000 consecutive patients between 1980 and 1998 Survival to hospital discharge Respiratory failure 88% in 586 neonates 70% in 132 children 56% in 146 adults. Cardiac failure 48% in 105 children 33% in 31 adults.

31 Extracorporeal Life Support The University of Michigan Experience Universidad de Michigan Grupo trabaja especificamente con técnica V-A (Hemmila y col.) Son tratados aproximadamente 20 pacientes por año con SDRA severo Criterio principal de ingreso: PaO2/FiO2 100 Con una sobrevida estimada del 52%.VA-ECMO

32 Soporte vital extracorpóreo para la falla respiratoria en adultos Extracorporeal Life Support Organization (Julio 2004, registro ELSO)

33 ECLS/ECMO - Randomised Controlled Trials Sólo dos enzayos controlados y randomizados han sido reportados Ambos en Estados Unidos Diferentes aproximaciones No han sido combinados como un meta-análisis formal

34 Adult patients (18-65 years) Severe, but potentially reversible respiratory failure: Murray score >3.0, or uncompensated hypercapnoea with a pH <7.20. The Murray score using all 4 parameters The Murray score of 3.0 is a MINIMUM entry criterion Duration of high pressure and/or high FIO2 ventilation < 7 days no intra-cranial bleeding no contra-indication to heparinisation

35 Conventional Management Plateau pressure <30 cm H2O (or if plateau pressure is not measured the peak inspiratory pressure). This will usually mean a tidal volume of 4-8ml/kg body weight as defined in the low tidal volume ventilation strategy according to the ARDS Network group

36 Veno-venous ECMO via percutaneous cannulation Blood is drained from the right atrium through a cannula introduced via the right jugular or femoral veins, and is returned via the contra-lateral femoral vein. Circuits are designed to allow full support of gas exchange i.e. blood flow of 120 ml/kg/min. Medos Hi-Lite 7000LT poly-methyl pentene lungs with heat exchangers are arranged in parallel with counter current gas flow 100% oxygen is used as the sweep gas. Stockert (Sorin Biomedical) roller pumps with bladder box servo control or venous pressure servo-regulation are used. Blood raceway tubing is Tygon S-65-HL (Norton Performance Plastics). Normothermia is maintained.

37 Ventilator settings are gradually reduced to allow lung rest Peak inspiratory pressure 20 cm H2O PEEP 10 cm H2O Rrate 10 breaths per minute FIO2 30%. Anticoagulation is maintained with heparin Patients are fed enterally or parenterally Invasive procedures are avoided to reduce the risk of haemorrhage Patients are diuresed to dry weight. Haemoglobin concentrations are maintained at 14g/dl, and platelet counts are kept >100,000 ml. Patients are weaned from ECMO and decannulated when chest X-ray appearance and lung compliance have improved, and adequate gas exchange without excessive ventilation (peak pressure less than 30 cmH2O, and FIO2 less than 60%

38 ECLS - ARF La aplicación de ECLS para el tratamiento del fallo respiratorio en adultos creció rápidamente hasta 1996 ha permanecido casi constante en aproximadamente 100 casos por año a partir de esta fecha en los centros de EE.UU. La sobrevida total ha permanecido relativamente estable en aproximadamente 50%, pero es variable y depende del diagnóstico La mejor evolución parece estar relacionada con la neumonía viral, la neumonía por aspiración y la falla respiratoria no imputable a SDRA

39 Complicaciones En los estudios realizados en Europa la sobrevida global fue del 53%, variando entre el 29 y el 70%, según los centros. Se admite que uno de los factores más importantes en la determinación de los resultados es la curva de aprendizaje del equipo tratante. Disminución de la mortalidad con el paso del tiempo. La complicación más importante de la técnica de soporte extracorpóreo es la hemorragia.

40 Esta es más significativa cuando el paciente requiere maniobras quirúrgicas tales como la colocación de tubos de tórax o procedimientos más invasivos. En muchos casos puede hacer necesaria la interrupción del tratamiento. Gattinoni refiere que en 1986 los pacientes tratados en su servicio requerían un promedio de 1,8 L de sangre por día, mientras que a partir de la introducción de la canulación percutánea, los requerimientos disminuyeron dramáticamente a ml/día. En el registro ELSO, las complicaciones más frecuentes son la hemorragia en el sitio quirúrgico y en el sitio de implantación de la cánula, la hemólisis, la hemorragia gastrointestinal y en casos aislados convulsiones Complicaciones

41 Complicaciones del paciente en ECMO según el registro ELSO

42 Carbon Dioxide Removal Devices

43 Evolution of the Concept of Extracorporeal CO 2 Removal Luciano Gattinoni worked with Kolobow at the National Institutes of Health, hypotheses: The purpose of ventilation is to excrete CO 2 ; oxygenation can be achieved by inflation and airway oxygenation alone. Progressive lung injury in adult respiratory distress syndrome is caused in part by ventilator- induced high pressure injury of the most normal alveoli. When functional residual capacity is severely decreased, the remaining alveoli can be overinflated if high tidal volumes are used, leading quickly to alveolar injury and fibrosis. An extracorporeal support system should eliminate the need for high airway pressure and high FiO 2, although this was not always done in the NIH-sponsored ECMO study.

44 If the emphasis is on CO 2 removal to eliminate the need for high pressure ventilation, this could be accomplished with venovenous access, using relatively low flow and large membrane-oxygenator surface area. This system would allow for normal pulmonary blood flow, even if the lung is severely injured with large amounts of transpulmonary shunting. The venoarterial bypass used in the NIH ECMO study caused decreased pulmonary blood flow which might have contributed to microthrombosis or inhibition of lung healing. Gattinoni and his colleagues used these principles in venovenous extracorporeal gas exchange in a variety of adult patients selected by the same criteria used for the NIH ECMO study. In 1986 they reported 21 survivors in 43 patients (49 percent). Evolution of the Concept of Extracorporeal CO 2 Removal

45 Experiencia con ECCO2R La técnica ECCO2R ha sido utilizada ampliamente en el tratamiento de pacientes con SDRA en Europa. Esta técnica disminuye la ventilación alveolar, permitiendo reducir la ventilación mecánica y con ello la injuria producida por el ventilador. Aproximadamente el 30% del volumen minuto cardíaco es derivado al circuito extracorpóreo. La frecuencia respiratoria puede reducirse a dos a cuatro respiraciones por minuto, la presión pico en la vía aérea se limita a 35 cm H2O. El propósito de esta respiración de baja frecuencia no es remover CO2 sino adicionar oxígeno para prevenir las atelectasias. La oxigenación se obtiene insuflando oxígeno (2-4 l/min.) a través de un catéter intratraqueal.

46 Comparación ECMO - ECCO2R

47 Intracorporeal Membrane Oxygenation

48 OXIGENADOR INTRAVENOSO EN LA VENA CAVA (IVOX) El IVOX es un dispositivo consistente en una gran cantidad de fibras huecas semipermeables agrupadas en un cilindro de pequeño diámetro, que permite su inserción por vía venosa. Una vez que el catéter se encuentra en la vena cava inferior, las fibras son expuestas a la sangre venosa. La sangre fluye alrededor de las fibras mientras se adiciona oxígeno al interior de las mismas a presión subatmosférica. De esta manera, se produce el intercambio gaseoso entre la sangre venosa y el gas que transcurre por la membrana IVOX. La sangre venosa se oxigena parcialmente, y se remueven pequeñas cantidades de CO2. Los dispositivos corrientes pueden asumir hasta el 30% del intercambio gaseoso total en un adulto con insuficiencia respiratoria.

49 OXIGENADOR INTRAVENOSO EN LA VENA CAVA (IVOX) La performance del IVOX se puede cuantificar midiendo los flujos de CO2 y O2 a través del dispositivo. Una segunda medida de la eficacia es observar la disminución en la saturación de la sangre venosa mixta cuando el flujo de gas a través del IVOX se suspende. Si bien se obtiene cierta protección contra la trombosis por la heparina que se encuentra en el dispositivo, siempre se requiere anticoagulación total para su aplicación. La inserción del IVOX requiere un acceso quirúrgico, con control radiológico durante la inserción para lograr una adecuada localización dentro de la vena cava. El tiempo mayor de empleo del IVOX en humanos ha sido de 18 días. La capacidad de intercambio limitada del dispositivo, así como el requerimiento de un implante quirúrgico y anticoagulación sistémica, restringen su utilidad clínica

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51 Artificial Lungs

52 Artificial lungs: a new inspiration Perfusion, Vol. 17, No. 4, (2002) J oseph B Zwischenberger, Scott K Alpard. Division of Cardiothoracic Surgery, University of Texas Medical Branch, Galveston, Texas, USA

53 Artificial lungs: a new inspiration An estimated 16 million Americans are afflicted with some degree of chronic obstructive pulmonary disease (COPD), accounting for 100,000 deaths per year. The only current treatment for chronic irreversible pulmonary failure is lung transplantation. Since the widespread success of single and double lung transplantation in the early 1990s, demand for donor lungs has steadily outgrown the supply. Unlike dialysis, which functions as a bridge to renal transplantation, or a ventricular assist device (VAD), which serves as a bridge to cardiac transplantation, no suitable bridge to lung transplantation exists. The current methods for supporting patients with lung disease, however, are not adequate or efficient enough to act as a bridge to transplantation.

54 Artificial lungs: a new inspiration Although occasionally successful as a bridge to transplant, ECMO requires multiple transfusions and is complex, labor-intensive, time-limited, costly, non-ambulatory and prone to infection. Intravenacaval devices, such as the intravascular oxygenator (IVOX) and the intravenous membrane oxygenator (IMO), are surface area limited and currently provide inadequate gas exchange to function as a bridge-to-recovery or transplant. A successful artificial lung could realize a substantial clinical impact as a bridge to lung transplantation, a support device immediately post-lung transplant, and as rescue and//or supplement to mechanical ventilation during the treatment of severe respiratory failure.

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56 Desarrollo tecnológico Biolung

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