Labor Medizinische Gerätetechnologie

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1 Labor Medizinische Gerätetechnologie Anleitung Flusscharakteristik von Implantaten Versuch 2

2 1 Vorbereitung Zentralvenöser Katheter Laminare Strömung (Bernoulli, Hagen- Poiseuille) Turbulente Strömung Blut 2 Einleitung Beim Einsatz zentralvenöser Katheter ist die maximale Durchflussrate des Blutes ein entscheidender Parameter. Im Experiment messen Sie an einem Doppellumenkatheter jeweils den Ein- und Ausgangsdruck, um daraus Rückschlüsse auf das Durchflussverhalten zu ziehen. Erythrozyten können bei einer turbulenten Strömung durch die auftretenden Scherkräfte zerreißen. Deshalb muss bei der Verwendung eines Katheters darauf geachtet werden, dass der Fluss nicht turbulent wird. Im Versuch sollen Sie den Beginn der turbulenten Strömung bestimmen. 3 Zentralvenöser Katheter Der zentralvenöse Katheter (ZVK) wird über die Vena Cava superior oder interior bis vor den rechten Vorhof geschoben. Als Zugangswege dienen hierfür die großen Venen am Bein, Arm und Schlüsselbein. Angewendet wird der ZVK beispielsweise bei: Akutem Nierenversagen Infusionen bestimmter Lösungen Überwachung des Druckes im venösen System zu diagnostischen Zwecken Stabilisierung des Kreislaufes Vorteile sind besonders im Langzeitgebrauch gegeben, um tägliche Punktionen zu vermeiden. Durch die Anlage eines ZVK wird ermöglicht, dass weniger Einstichstellen und somit weniger Reizungen des Gewebes entstehen. Oft wird der ZVK auch in der ambulanten Behandlung eingesetzt, da die Extremitäten bewegungsfrei bleiben. Die Implantation und Entfernung haben eine niedrige Komplikationsrate. Allerdings können bei Patienten mit ZVK drei Hauptkomplikationen auftreten: Infektiöse, thrombotische und mechanische. Zentralvenöse Katheter müssen zwingend absolut steril eingelegt werden. 2

3 Abbildung 1: Doppellumenkatheter Die Innenseite des ZVK ist meist mit einer Teflonbeschichtung ausgestattet, die für eine geringere Adhäsion sorgt, so dass das Risiko einer Thrombenbildung verringert wird. Ausserdem wird vielfach bereits ein Bakterienfilter eingesetzt, um eine Kontamination zu minimieren. Beim Verlegen des ZVK richtet sich die Auswahl der Kanüle nach den Venenverhältnissen und der beabsichtigten Therapie, der Liegedauer der Kanüle und der gewünschten Durchflussrate. Je kürzer die Verweildauer der Kanüle und je weniger über die Kanüle infundiert werden muss, desto kleiner kann die ausgewählte Größe sein. Für die chronische Dialysebehandlung werden zunehmend Silikonkatheter verwendet, da sie sich im Vergleich zu nicht tunnelierten Kathetern durch ein geringeres Infektionsrisiko auszeichnen und nicht so leicht verschoben werden können. Außerdem stellen diese Katheder wegen des weicheren Silikonmaterials eine geringere meachanische Belastung für die Gefäßwand dar. In untenstehender Abbildung sind verschiedene Kathetertypen gezeigt: Nigara, Soft- Cell, Flexxicon, Dc 1115 (von links nach rechts). Rot dargestellt ist der arterielle Eingang und blau der venöse Ausgang. Abbildung 2: Querschnitte/ Verschiedene Katheter 3

4 4 Bernoulli-Gleichung Bei der Strömung eines inkompressiblen Fluids ist der Volumenstrom I v durch jede Querschnittsfläche des Fluids gleich (Kontinuitätsgleichung). I v = A v = konst (1) Nach diesem Gesetz tritt dieselbe Fluidmenge aus jedem beliebigen Rohrabschnitt aus, die in ihn eingeführt worden ist. Die Flüssigkeit muss an einer Engstelle mit dem gleichen Durchfluss passieren, wie Stellen des Rohres mit breitem Querschnitt. Deshalb muss sich die Geschwindigkeit des Fluids (Gas oder Flüssigkeit) zwingend erhöhen. Die Bernoulli-Gleichung verknüpft Druck, Höhe und Fließgeschwindigkeit eines inkompressiblen, nichtviskosen Fluids in stationärer Strömung: Statischer Druck: [P ] = P a Schweredruck: [ρ g h] = P a Staudruck (dynamischer Druck): [ 1 2 ρ v2 ] = P a P + ρ g h ρ v2 = konst (2) Die Bernoulli-Gleichung ist nützlich für die qualitative Beschreibung von Strömungen, allerdings sind Gase, wie Luft, nicht inkompressibel und Flüssigkeiten, wie Wasser, weisen eine, wenn auch kleine, Viskosität auf. Das heißt Energie wird immer dissipiert und die mechanische Energie bleibt nicht erhalten. Des Weiteren haben Turbulenzen einen enormen Einfluss. 5 Hagen- Poiseuille Das Gesetz von Hagen- Poiseuille gilt nur für laminare Strömungen mit konstanter Viskosität. Es beschreibt den Druckabfall über eine Röhre. P = 8 η l π r I 4 v = R I v (3) Druckabfall: [ P ] = P a Rohrradius: [r] = m Viskosität: [η] = P a s Volumenstrom: [I v ] = m 3 /s Rohrlänge: [l] = m Strömungswiderstand: [R] = P a s/m 3 Das menschliche Blut hat bei 20 C im Mittel eine Viskosität von η B = 4, P a s, Wasser bei 20 C dagegen η H2 0 = 1, P a s. Auch ändert sich die Viskosität des komplexen Gemisches Blut mit der Strömungsgeschwindigkeit: Die scheibenförmigen Erythrozyten nehmen bei einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit eine zufällige Orientierung ein. 4

5 Erst bei höheren Geschwindigkeiten orientieren sie sich, um den Fluss zu erleichtern. Das heißt die Viskosität des Blutes nimmt ab, wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Als Näherungsbeschreibung für den Blutfluss ist das Gesetz von Hagen- Poiseuille dennoch ausreichend. [2] 6 Strömungen Entgegen der Bernoulli-Gleichung ist der Druck einer ebenen geraden Röhre mit konstantem Querschnitt in der Praxis nicht beständig. Es kommt zu einem Druckabfall entlang der Strömungsrichtung. Wenn ein Fluid durch eine horizontale Röhre bewegt wird, ist eine Druckdifferenz nötig, um entstehende Reibungskräfte zu überwinden. Diese Reibungskräfte verursachen die Viskosität des Fluids, weswegen die Geschwindigkeit über den Rohrquerschnitt nicht konstant ist. In der Rohrmitte ist die höchste Geschwindigkeit und dort wo das Fluid mit der Rohrwand in Kontakt ist, herrscht die kleinste Geschwindigkeit, die im Extremfall auch Null sein kann. Eine Strömung, die durch die innere Reibung eines Mediums bestimmt wird, heißt laminare Strömung. Sie ist charakterisiert durch ein Übereinandergleiten von Flüssigkeitsschichten. Die Blutzirkulation im menschlichen Körper ist normalerweise laminar. Eine Strömung ist in der Regel laminar, wenn die Reynolds-Zahl kleiner als etwa 2000 ist. Bei einem Wert über 3000 ist sie in der Regel turbulent. Charakteristisch für die turbulente Strömung sind Verwirbelungen und damit verbunden höhere Reibungsverluste. Das heißt es wird mehr mechanische Energie in Wärme und Schall (Strömungsgeräusche) umgewandelt. Die Schallgeräusche helfen in der Praxis bei der Blutdruckmessung und Entdeckung gewisser Herzabnormalitäten. Der Strömungswiderstand ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit. Die Reynoldszahl berechnet sich wie folgend: Reynoldszahl: [Re] = / Relativgeschwindigkeit: [v] = m/s 2 Länge: [l] = m Dynamische Viskosität: [η] = P a s Dichte: [ρ] = kg/m 3 kinematische Viskosität: [u] = m 2 /s Re = l ρ v η = v l u (4) 5

6 7 Versuchsaufbau Für den Versuch stehen Ihnen folgende Geräte und Hilfsmittel zur Verfügung: Blutpumpe Druckmessgeräte Digima Premo Durchflussmessgerät HD01 hemodialysis monitor Schlauchsystem Katheter Thermostat mit Behälter Thermo Haake Abbildung 3: Experimenteller Aufbau Allgemein werden Flusscharakteristiken durch den Flusswiderstand R und die Geschwindigkeit v beschrieben. Ist das Verhältnis zwischen R und v linear, liegt eine laminare, bei quadratischem Zusammenhang eine turbulente Strömung vor. Dabei ist der Flusswiderstand R proportional zu der gemessenen Druckänderung und v proportional zum Blutfluss Q B. Beachten Sie auch, dass die Viskosität η das Strömungsverhalten beeinflusst. Es gilt beispielsweise: η(h 2 0) = 1 4 η(blut). Somit fängt Blut erst bei höherem Q B an turbulent zu strömen. 6

7 8 Versuchsdurchführung Der Behälter mit dem Thermostat wird mit Wasser gefüllt. Die Temperatur wird auf konstant 37 C (= Körpertemperatur) eingestellt. Das Schlauchsystem mit dem Katheter wird in die Blutpumpe eingelegt. Der Druck, der vor der Blutpumpe gemessen wird, ist der arterielle Druck des extrakorporalen Kreislaufes. Hinter der Blutpumpe lässt sich der venöse Druck messen. Schließen Sie die Druckmessgeräte an das Schlauchsystem an. Verwenden Sie Sterilfilter, damit keine Flüssigkeit in die Druckmessgeräte eindringen kann! Entlüften Sie das gesamte System vollständig, indem Sie die Blutpumpe zirka 1 Minute unter Maximalbelastung laufen lassen. Schließen Sie ein Ultraschall-Durchflussmessgerät zur Bestimmung des effektiven Flusses an. Nehmen Sie den arteriellen und venösen Druck sowie die Summe beider Drücke im System in Abhängigkeit vom effektiven Fluss (0-500 ml/min) durch den Katheter auf. Mehrfachmessungen können nötig sein, wenn die Druckwerte stark schwanken. Zeigen Sie in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen Druck und Durchflussrate auf. Tragen Sie dabei den venösen, den arteriellen Druck und die Summe der beiden gegen den effektiven Fluss auf und bewerten Sie Ihre Ergebnisse im Hinblick auf die Fluss-Symmetrie des ZVK. 9 Fragekatalog Aufgabe 1: Wofür werden zentralvenöse Katheter verwendet? Aufgabe 2: Aufgabe 3: Aufgabe 4: Durch welche Parameter werden Flussimplantate charakterisiert? Nach welchem Prinzip funktioniert das verwendete Flussmessgerät? Erklären Sie den gefundenen Kurvenverlauf. Ab welchem Wert wird die Strömung turbulent? 7

8 10 Empfohlene Literatur [1 ] Tipler, Paul; Mosca, Gene: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure. 2. Aufl, München: Elsevier, 2004 [2 ] Franz, Hans; Hörl, Walter: Blutreinigungsverfahren. 10. Aufl, Stuttgart: Thieme Verlag,

9 Messung 1 Durchflussrate in ml/min arterieller Druck in bar venöser Druck in bar 9

10 Messung 2 Durchflussrate in ml/min arterieller Druck in bar venöser Druck in bar 10