NeSECC UPTODATE 2012 nr. 1; p.15
In vivo vergelijking van de performance karakteristieken van de Maquet Quadrox HMO 2000, Quadrox-i HMO 70000 en Quadrox-i Small Adult HMO 50000 oxygenatoren. Inleiding Sinds het beschikbaar komen van de eerste hollow-fiber oxygenatoren zorgt een voortdurende ontwikkeling en verbetering van beschikbare materialen voor een continue stroom van steeds weer beter presterende oxygenatoren. Van belang bij deze ontwikkelingen is dat iedere nieuwe generatie oxygenatoren een adequate zuurstof en koolstofdioxide transfer weet te koppelen aan een steeds kleiner lichaamsvreemd oppervlak en afname van het primingvolume. Door gebruik te maken van moderne ontwerptechnieken als computational fluid dynamics om het stromingspatroon door de oxygenator te optimaliseren en door het toepassen van nieuwe (bio)coatings kan de biocompatibiliteit worden vergroot en het bloedtrauma beperkt3,9. In de Isala Klinieken worden diverse oxygenatoren gebruikt waaronder de Quadrox HMO 2000 (Quadrox) van Maquet. De nieuw ontwikkelde generatie oxygenatoren van deze firma wordt onder andere gevormd door de Quadrox-i Adult HMO 70000 (Quadrox-i) en de Quadrox-i Small Adult HMO 50000 (Quadrox-i SA). De Quadrox-i is ontwikkeld ter vervanging van de Quadrox.
Er zijn talrijke studies gepubliceerd met betrekking tot het vaststellen van de gastransfer efficiëntie van oxygenatoren.1,2,4,6,10 Dit onderzoek heeft als doel om in vivo de performance karakteristieken van de Quadrox, Quadrox-i en de Quadrox-i SA te bepalen om: • vast te kunnen stellen of de performance van de Quadrox en de Quadroxi vergelijkbaar is. • vast te kunnen stellen wat de maximale gastransfer van de Quadrox-i SA is zodat een indicatie kan worden gegeven bij welke maximale patiëntgrootte deze nog veilig kan worden ingezet. In Tabel 1 zijn de technische specificaties opgenomen zoals opgegeven door de fabrikant. Hieruit is af te lezen wat de verschillen tussen de oxygenatoren in de totale bloedflow, oppervlakte van oxygenatiemembraan, primingvolume en het oppervlakte warmtewisselaar zijn. Materiaal en Methode In deze studie zijn 45 patiënten die een electieve CABG procedure met extracorporele circulatie (ECC) ondersteuning ondergingen geïncludeerd. De studie is
Quadrox
Quadrox-i
Quadrox-i SA
Bloedflow
0,5-7,0 L/min
0,5-7,0 L/min
0,5-5,0 L/min
Max. Aanbevolen gasflow
15 L/min
15 L/min
15 L/min
Opp. Oxygenatiemembraan
1,8 m
2
1,8 m
1,3 m2
primingvolume
250 ml
215 ml
175 ml
Opp. Warmtewisselaar
0,6 m
0,4 m
0,3 m2
Materiaal behuizing
Polycarbonaat
Polycarbonaat
Polycarbonaat
Materiaal oxygenatievezels
Polypropyleen
Polypropyleen
Polypropyleen
Materiaal warmtewisselaar
Polyurethaan
Polyurethaan
Polyurethaan
Fibers
Microporeus
Microporeus
Microporeus
2
2
2
Tabel 1: Technische specificatie van de oxygenatoren. Bron: documentatie Maquet
S.F. Scherphof, EKP S. Eilander EKP, A.J. Boogaart EKP, P.A.M. Segers EKP, C.M. Maas EKP, ir. H. De Graaf EKP.
Afd. Extracorporele circulatie, Isala Klinieken Zwolle.
NeSECC UPTODATE 2012 nr. 1; p.16
opgebouwd uit twee deelonderzoeken. In het eerste onderzoek werd in vivo de performance karakteristieken van de Quadrox en de Quadrox-i vastgesteld en met elkaar vergeleken. Hiervoor werden 30 patiënten prospectief gerandomiseerd toegewezen aan groep A (Quadrox) of groep B (Quadrox-i). In het tweede deel van het onderzoek werd bij 15 patiënten met een body surface area (BSA) kleiner of gelijk aan 1,9 m2 in vivo de performance karakteristieken van de Quadrox-i SA vastgesteld (groep C). Exclusiecriteria voor deze studie waren re-operaties, pre- of peroperatieve noodzaak voor intra-aortale ballonpomp therapie, koorts of afwijkende infectieparameters. Voor het uitvoeren van het onderzoek werden de oxygenatoren opgenomen in een basis extracorporeel circuit. Dit was samengesteld uit een gesloten veneus reservoir (JVR800 ), centrifugale bloedpomp (Rota-flowA), 40μm arterieel bloedfilter (QuartA), hardshell cardiotomie reservoirA en Raumedic PVC class VI tubingA. Het extracorporele systeem werd opgebouwd op een Terumo System 1 hart-longmachineB uitgerust met een Rota-flowA centrifugale bloedpomp, Biotrend saturatie/hematocriet monitorC en een ultrasone bloedflowmeterD. Het extracorporele circuit werd gevuld en ontlucht met 1000 ml Ringer’s oplossingE, 500 ml Ringerlactaat oplossing, 200 ml Albumine 20% oplossing, 100 ml Mannitol 20% oplossing, 50 ml Natriumwaterstofcarbonaat 8,4% oplossing en 7500 IU heparine. Alle patiënten ondergingen een standaard anesthesieprotocol met midazolam, propofol, remifentanyl en pancuroA B C D E
Maquet, Hirrlingen Duitsland Terumo Europe NV, Leuven België Medtronic, Minneapolis USA Systems Europe, Maastricht Nederland Baxter BV, Utrecht Nederland
niumbromide bij inductie en onderhoud van anesthesie met behulp van propofol, remifentanyl en sevofluraan. Na mediane sternotomie, het vrijpreparen van de arteria mammaria links en/of de vena saphena magna werd de patiënt systemisch gehepariniseerd (3mg/kg) waarbij een ACT van minimaal 480 sec werd nagestreefd. Na arteriële en veneuze canulatie werd de extracorporele circulatie gestart met een geïndexeerde bloedflow (Qb) van 2,4 L/min/m2 BSA. Er werd een milde hypothermie toegepast (32-34 oC) waarbij de Qb wordt gehandhaafd tussen de 1,8–2,0 L/min/m2 BSA. Hierbij werd gestreefd naar een SvO2>70% en een arteriële bloeddruk > 50mmHg. Tijdens ECC werd op twee momenten bloedmonsters afgenomen waaruit de volgende parameters zijn bepaald: hemoglobine concentratie (Hb), hematocriet (Ht), vrij plasma hemoglobine concentratie (fHb), thromobocyten aantallen (Thr), arteriële en veneuze zuurstofsaturatie (SaO2, SvO2), partiële zuurstofspanning (PO2a, PO2v), partiële kooldioxide spanning (PCO2a, PCO2v). Gelijktijdig met de monstername werden de arteriële bloed-, veneuze bloed-, nasopharyngeale-, blaas- en watertemperatuur geregistreerd als ook de ingestelde gasflow door de oxygenator (Qg), het zuurstofpercentage hiervan (FiO2), de CO2 concentratie in de oxygenator gasuitstroom (etCO2) en de druk voor (Pin) en na (Pout) de oxygenator. De momenten van monsterafname zijn T1: na plaatsen aortaklem bij milde hypothermie, T2: tijdens het opwarmen van de patiënt voordat de aortaklem wordt afgenomen. Uit de meetgegevens werden de volgende parameters afgeleid die een indruk geven van de oxygenator performance: zuurstofconsumptie (VO2), zuurstofgradiënt (O2grad), diffusiecapaciteit (DmO2), drukverval (∆Poxy), heatexchanger performance factor (HPF) en de shuntfractie (Qs/Qt).
NeSECC UPTODATE 2012 nr. 1; p.17
60
Leeftijd Geslacht M/V)
64,9 ± 9,0 11 / 4
Groep B
30
Quadrox-i SA, y=0,1269x + 34,011
50
100
ns
Shuntfractie
0,25
0,20
Qs/Qt (%)
0,15
0,10
Quadrox, y=0,0554x - 0,1179
0,05
Quadrox-i , y=0,056x - 0,129 Quadrox-i SA, y=0,0703x - 0,0955
0,00
3
3,2
3,4
3,6
1,72 ± 0,11
Qbloed (l/min)
4,8 ± 0,4
4,8 ± 0,4
ns
4,14 ± 0,3
ECC duur min)
104 ± 37
94 ± 21
ns
91 ± 24
Aortaklemtijd (min)
77 ± 28
68 ± 19
ns
91 ± 24
Alle drie oxygenatoren zijn ruim voldoende in staat om aan een basale metabole zuurstofbehoefte van 250 ml/min te F IBM Nederland, Amsterdam Nederland
4
4,2
4,4
4,6
4,8
5
Grafiek 2. Shuntfractie uitgezet tegen de bloedflow. Drukverval
20,0 17,5 15,0
Quadrox Quadrox-i Quadrox-i SA
12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0
Tabel 2: Patiënt en procedure gegevens.
1
2
3
Qb in L/min
4
5
Grafiek 3. Drukverval gedurende pre-circulatie (Pout 100 mmHg, Tpriming 37 oC) HPF 0,61 0,60 0,59
HF
in een grafiek als functie van de FiO2 en werd middels lineaire regressie de Oxygen Transfer Slope (OTS) vastgesteld (grafiek 1). Met een ANOVA test is aangetoond dat er tussen de drie groepen geen significant verschil bestaat met betrekking tot de OTS.
3,8
Qb (L/min)
4 / 11
2,01 ± 0,15 2,00 ± 0,19 ns
200
Grafiek 1: Oxygen Transfer Slope (OTS)
70,9 ± 8,5
BSA (m2)
150
VO2 (ML/MIN)
Groep C
65,1 ± 10,1 ns 12 / 3
Quadrox, y=0,0925x + 38,235 Quadrox-i, y=0,1288x + 31,698
∆Poxy in mmHg
Groep A
50
40
Resultaten Zoals blijkt uit tabel 2 zijn er geen significante verschillen tussen de patiënt karakteristieken en procedure gegevens voor de patiënten uit de groepen A en B. Voor iedere patiënt werd uit de meetgegevens op T1 en T2 de VO2 berekend. Voor iedere groep zijn deze waarden uitgezet
Oxygen Transfer Slope
70
FIO2 (%)
De gegevens zijn statistisch geanalyseerd met behulp van het computerprogramma SPSSF. Voor het vergelijken van de waarden van numerieke variabelen tussen de drie groepen is een ANOVA test toegepast. Verschillen in continue variabelen tussen twee groepen zijn weergegeven met een 95%-betrouwbaarheidsinterval en getoetst met een ongepaarde t-toets. Lineaire relaties tussen numerieke variabelen zijn geanalyseerd met behulp van lineaire regressie. Verschillen in richtingscoëfficiënt zijn getoetst met een F-toets. Een p-waarde kleiner dan 0,05 is geduid als statistisch significant.
0,58 0,57 0,56 0,55
Quadrox
Quadrox-i
Grafiek 4. Heatexchanger Performance Factor.
Quadrox-i SA
NeSECC UPTODATE 2012 nr. 1; p.18
voldoen. Voor iedere oxygenator is op basis van de OTS vastgesteld of zij kunnen voldoen aan een fictief hoge VO2 van 300 ml/min en welke FiO2 hiervoor noodzakelijk is. Tevens is voor iedere oxygenator de maximale O2transfer (FiO2 = 100%) vastgesteld (Tabel 3). Groep Groep A B
Groep C
FiO2 (%) voor VO2 = 300 ml/min
66,0
70,3
ns
72,1
O2transfer max. (ml/min)
667
530
ns
520
Oxygenator membraan opvl (m2)
1,8
1,8
ns
1,3
O2transfer max/ m2 (ml/min/m2)
371
295
ns
400
Tabel 3. FiO2 instelling voor VO2 = 300 ml/min en maximale O2transfer.
Voor elke groep zijn in grafiek 2 de individuele shuntfracties (Qs/Qt) uitgezet tegen de bloedflow (Qb). Het verschil in shuntfractie tussen groep A en groep B is niet significant. Zowel de Quadrox als de Quadrox-i hebben een shuntfractie van 10%. De shuntfractie van de Quadrox-i SA is wel duidelijk hoger, namelijk 19%. Bij iedere oxygenator is de drukgradient over de oxygenator gemeten na het primen van het extracorporele systeem, voorafgaand aan extracorporele circulatie. De drukgradient werd vastgesteld bij 37oC, een weerstand op de oxygenator outlet (Pout = 100 mmHg) en bij verschillende stroomsnelheden variërend van 1 tot 5 l/min. De resultaten zijn weergegeven in grafiek 3. Op T1 en T2 werd tevens de druk voor (Pin) en na (Pout) de oxygenator geregistreerd. De gemiddelde drukgradiënt is niet significant verschillend tussen de drie groepen op T1 en T2. De heatexchanger performance factor (HPF) wordt berekend door het temperatuurverschil tussen de oxygenator outlet en inlet te delen door het temperatuurverschil tussen de water inlet en oxygenator inlet. De HPF is bij iedere patiënt op T1 en T2 vastgesteld. De gemiddelde gemeten HPF is weergegeven in grafiek 4.
Discussie De resultaten laten zien dat het ontwerpen van een oxygenator met een gereduceerd oxygenatie oppervlak, verminderd primingvolume en een kleiner heatexchanger oppervlak niet als consequentie hoeft te hebben dat wordt ingeleverd op de performance van de oxygenator. Uit de resultaten van het onderzoek blijkt dat alle onderzochte oxygenatoren ruim voldoende in staat zijn om aan de zuurstofbehoefte van de gemiddelde patient te voldoen maar ook om het hoofd te bieden aan situaties waarin de zuurstofvraag extreem hoog is. Deze waarneming komt overeen met de specificaties van de fabrikant. Pre-priming van de oxygenatoren heeft invloed op de zuurstoftransfer zoals beschreven door C. Goa et al.11 Dit wordt verder verbeterd door het gebruik van albumine in de priming. Dit verlaagd de oppervlaktespanning en verbeterd de doorstroming en gasuitwisseling. Voor een optimale oxygenator performance dient de oxygenator zo kort mogelijk voor gebruikt te worden ontlucht. Zowel de Quadrox als de Quadrox-i hebben een shuntfractie van 10%. De shuntfractie van de Quadrox-i SA is wel duidelijk hoger, namelijk 19%. Dit zal waarschijnlijk het gevolg zijn van het verkleinde oxygenatieoppervlak. Het drukverval over de oxygenator is bij alle onderzochte oxygenatoren gering. De door de fabrikant opgegeven waarden voor het drukverval zijn aanzienlijk hoger. Deze zijn echter in vitro gemeten met runderbloed (Ht circa 39%) en daarmee dus niet goed te vergelijken met de resultaten verkregen in dit onderzoek. De heatexchanger performance van de onderzochte oxygenatoren is bij eerdere onderzoeken1 al zeer efficiënt gebleken. Het verkleinen van het heatexchanger oppervlak heeft deze efficiëntie niet verminderd.
NeSECC UPTODATE 2012 nr. 1; p.19
Conclusie De performance karakteristieken van de Quadrox en zijn beoogde opvolger de Quadrox-i zijn vergelijkbaar. De performance is, ondanks de veranderingen in het ontwerp, niet gewijzigd. De Quadroxi is, in termen van prestaties, een goede vervanger voor de Quadrox. De Quadroxi SA laat zien over voldoende capaciteit te beschikken om veilig te kunnen worden ingezet bij patiënten met een BSA tot en met 2,0 m2. Referenties 1. Segers PAM, Heida JF, de Vries I, Maas C, Boog-
aart AJ, Eilander S. Clinical evaluation of nine hollow fibre membrane oxygenators. Perfusion 2001, 95-106. 2. Visser C, de Jong DS. Clinical evaluation of six hollow-fibre membrane oxygenators. Perfusion 1997, 357-368. 3. Iwahashi H, Koichi Y, Nosé. Development of the oxygenator: past, present and future. J. Artif Organs 2004, 111-120. 4. Jegger d, Tevaearai HT, Mallabiabarrena I, Horisberger J, Seigneul I, von Segesser LK. Comparing oxygen transfer performance between three membrane oxygenators: effect of temperature changes during cardiopulmonary bypass. Artificial Organs 2007, 290-300. 5. Maas C, Eilander S, Segers P, Boogaart A, de Vries I, Heida JF, de Graaf H, Leicher FD, Haalebos MMP. Myocardial protection during CABG procedures: “The optimal flow for bloodcardioplegia during aortic occlusion is regulated by the heart itself ”. NeSECC Journal 2001, vol 26, 1-3. 6. Undar A, Owens WR, McGarry MC, Surprise DL, Kilpack VD, Mueller MW, McKenzie ED, Fraser jr CD. Comparison of hollow-fiber membrane oxygenators in terms of pressure drop of the membranes during normothermic and hypothermic cardiopulmonary bypass in neonates. Perfusion 2005, 135138. 7. Liddicoat JE, Bekassy SM, Beall AC, Glaeser DH, DeBakey ME. Membrane vs Bubble oxygenator: Clinical comparison. Ann. Surg. May 1975. 8. Noora J, Lamy A, Smith KM, Kent R, Batt D, Fedoryshyn J, Wang X. The effect of oxygenator membranes on blood: a comparison of two oxygenators in open-heart surgery. Perfusion 2003; 18; 313-320. 9. Lim MW. The history of extracorporeal oxygenators. Anaesthesia, 2006, 61; 984-995. 10. Gu YJ, Boonstra PW, Graaff R, Rijnsburger AA, Mungroop H, Oeveren v. W. Pressure drop, shear stress, and activation of leukocytes during cardiopulmonary bypass; A comparison between hollow fibre and flat sheet membrane oxygenators. Artificial Organs 2000; 24; 43-48. 11. Gao C, Stammers AH, Ahlgren RL, Ellis TA, Holcomb HB, Nutter BT, Schmer RG, Hock L. The effect of preprimed oxygenators on gas transfer ef-
ficiency. JECT 2003; 35; 121-126.
12. De Stefano E, Delay D, Horisberger J, Segesser von
LK. Initial clinical experience with the admiral oxygenator combined with seperated suction. Perfusion 2008; 23; 209-213. 13. Issitt R, Cumberland T, Clements A, Mulholland J. Clinical evaluation of the Admiral 1.35m2 hollow-fibre membrane oxygenator. Perfusion 2008; 23; 33-38. 14. Fried DW, Zombolas TL, Leo JJ, Mohamed H, Mattioni GJ. Clinical oxygen transfer comparison of the Terumo Capiox SX18 and SX25 membrane oxygenators. Perfusion 1998; 13; 119-127. 15. Nunn JF, Bergman NA, Bunatyan A, Coleman AJ. Temperature coefficients for pCO and pOt of blood in vitro. J. App. Physiol. 20, 23 (1965) Documentatie Documentatie via Maquet Cardiopulmonary AG.
